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加速光合作用可以多生长40%的食物
四株未经修饰的植物(左)生长在四株经过修饰的植物(右)旁边。经过改造的工厂能够再投资能源和资源,将生产率提高40%。信用:Claire Benjamin /成熟项目,CC By-Nd

如果你养活自己的能力依赖于一个百分之二十的错误的过程呢?

我们每天都面临这种情况。这是因为生产我们吃的食物的植物演变为解决数十亿年前的化学问题。植物进化使用二氧化碳使我们的食物和我们呼吸的氧气 - 一种称为光合作用的过程。但他们生长得如此美好,并产生了这么多的氧气,这种气体开始主导大气。植物,二氧化碳和氧气看起来非常相似,有时,植物使用氧代替二氧化碳。当发生这种情况时,产生有毒化合物,从未实现的小麦和大豆产量下降低了作物产量,每年花费148万亿卡路里 - 或足够的卡路里喂养2亿人整整一年。

改善作物产量在减少土地上生长更多的食物并不是一个新的挑战。但随着全球人口的增长和饮食变化,问题变得越来越紧迫。似乎有可能我们之间必须增加粮食生产25 - 70到2050年有足够的食物供应。

作为一名植物生物化学家,我对整个职业生涯的光合作用是着迷的,因为我们欠我们整个流程的全部存在。我对农业研究的兴趣受到这一挑战:植物饲料的人,我们需要快速开发解决方案来喂养更多人。

Amanda Cavanagh在专门的温室中测试改良的烟草植物,选择遗传设计,促进关键食物作物的产量。

阿曼达·卡瓦纳(Amanda Cavanagh)在测试改性烟草
植物在专门的温室到
选择具有遗传设计的
提高关键粮食作物的产量。信用:Claire Benjamin /成熟项目,CC By-Nd

增压光合作用以增长更多食物

无论它们是通过遗传方法还是传统育种,可能需要几十年的农业创新,如改进种子,如改良种子。这高产作物品种它们是在第一次绿色革命中培育的,通过增加比例,在20世纪60年代帮助防止了粮食短缺谷物对植物生物质。它是含有大部分植物的消耗卡路里的谷物,所以拥有更多的谷物而不是稻草意味着更多的食物。但大多数作物现在都得到了改善,他们接近他们的理论极限

我致力于一个称为实现的国际项目增加了光合效率(成熟的),它采用了另一种方法。我们通过提高光合作用的效率来提高收成。光合作用是一种太阳能驱动的过程,植物利用光合作用将二氧化碳和水转化为更高的产量。在我们最近的出版物,我们展示了一种方法,通过改变大多数主食作物常见的一系列化学反应,可以将作物产量提高多达40%。

光响应是很多能量

三分之二的卡路里我们在全球范围内的消费直接或间接来自四种作物:水稻、小麦、大豆和玉米。其中前三种受到光合作用故障的阻碍。通常,一种被称为Rubisco的酶能从大气中捕获二氧化碳,将二氧化碳转化为糖和能量。但是在五分之一的化学反应中,Rubisco会出错。这种酶反而抓住一个氧分子。这种化学反应产生的不是糖和能量,而是对植物有毒的乙醇酸和氨。为了解决这个问题,植物进化出了一种能量昂贵的过程,叫做光呼吸,它可以回收这些有毒的化合物。但是回收毒素需要大量的能量,所以工厂生产的食物就少了。

光呼吸作用需要消耗如此多的能量,以至于一些植物,比如玉米,以及光合细菌和藻类,都进化出了阻止Rubisco接触氧气的机制。其他微生物,比如细菌,已经进化出了更有效的方法来清除这些毒素。

这些自然解决方案激发了许多研究人员尝试调整光呼吸来提高作物产量。一些更有效的自然循环途径已经被基因工程处理过在其他植物中提高温室和实验室条件下的生长和光合作用。另一个策略一直是修改自然光呼吸并加快回收。

化学绕行提高了作物产量

红车代表未修改的植物,这些工厂使用称为光素的迂回和能量昂贵的过程,其成本产生潜力。蓝色汽车代表工厂设计的植物与捷径光留的换算,使这些植物能够节省燃料并将其能量加强,以使生产率提高到40%的高度。

红色的汽车代表未经改造的植物
谁用迂回和
来说过程被称为
光呼吸需要付出代价
的潜力。蓝色的汽车代表
用替代品设计的植物
到快捷方式的光留光,
让这些工厂节约燃料
再投资他们的能量来提高
生产力提高了40%。信用:成熟,CC by sa

这些光呼吸的直接操作是未来作物改良的关键目标。化石燃料消耗导致的大气二氧化碳增加促进了光合作用,使植物能够使用更多的碳。你可能会认为这将解决抓氧错误。但是,更高的温度会通过光呼吸作用促进有毒化合物的形成。我们预计,即使二氧化碳含量增加一倍以上收获产量损失18%因为随之而来的是近4摄氏度的温度上升。到2050年,我们不能依靠增加二氧化碳浓度来生产我们所需的所有食物。

与我一起工作保罗南他是美国农业部研究分子生物学家,农业研究服务和教授不支持是一位专业从事伊利诺伊大学作物科学的生物学家,探讨了修改光素的化学反应是否会提高作物产量。一种元素使毒素糖酸酸酸酸率效率低下是它在植物细胞内部移动到三个隔间。这就像铝合金可以进入三个单独的回收植物。我们设计了三个新的捷径,可以在一个位置回收化合物。我们还阻止了自然过程发生。

设计在硅;在土壤中测试

农业研究创新可以在一种模式物种上迅速得到检验。烟草非常适合这样做,因为它很容易进行基因改造并在田间种植。烟草的另一个优势是,它的生命周期很短,可以产生大量种子,并形成与其他大田作物类似的多叶冠层,因此我们可以在短时间内测量我们的基因改变的影响。然后,我们可以确定烟草中的这些修饰是否可以转化为我们想要的粮食作物。

我们设计并测试了1200株带有独特基因的烟草,以找到最有效回收乙醇酸的基因组合。然后我们让这些经过改造的植物缺乏二氧化碳。这引发了乙醇酸毒素的形成。然后我们确定了哪种植物生长得最好——这些植物的基因组合能最有效地回收毒素。在接下来的两年里,我们在真实的农业环境中进一步测试了这些植物。拥有最佳基因组合的植株大约提前一周开花,植株长高,比未转基因植株大40%左右。

经过两年多的田间试验,科学家Donald Ort(右)、Paul South(中)和Amanda Cavanagh(左)发现,经过修饰的烟草植株在真实的田间条件下更多产。现在,他们正在转化这项技术,希望提高主要粮食作物的产量,包括大豆、大米、豇豆和木薯。

经过两年多的实地试验,
科学家Donald Ort(右),Paul
南(中)和阿曼达·卡瓦纳
(左)发现烟草植物经过了基因改造
对光呼吸作用的修饰较多
在现实世界中卓有成效
条件。现在他们在翻译
这项技术希望能促进
主要粮食作物产量包括
大豆,米饭,豇豆和木薯。信用:Claire Benjamin /成熟项目,CC By-Nd

已在烟草中显示出概念证明在美国,我们开始在大豆、豇豆、大米、土豆、番茄和茄子等粮食作物上测试这些设计。很快,我们就能更好地了解通过我们的改良,这些作物的产量能增加多少。

一旦我们证明我们的发现可以转化为粮食作物,美国食品和药物管理局(food and Drug Administration)和美国农业部(USDA)将严格测试这些转基因植物,以确保它们对人类消费是安全的,对环境没有风险。这种检测可能花费高达1.5亿美元,需要10年以上的时间。

由于光呼吸过程在各种植物中都很常见,我们乐观地认为,我们的战略将使作物产量增加近40%,并帮助找到一种方法,在更少的土地上种植更多的粮食,以便到2050年养活饥饿的全球人口。谈话

Amanda Cavanagh是伊利诺伊大学Carl R. Woese生物学研究所的博士后研究员工。这件作品首先出现在谈话

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