伊麗莎白·科爾伯特

科研人員發(fā)現(xiàn)，植物與生俱來的光合作用效率很低，他們或許可以借助基因改造等手段提高光合作用效率，從而提升糧食產(chǎn)量。

| 光合作用的起源 |

故事要從20億年前說起，那時(shí)的地球自轉(zhuǎn)更快，太陽每隔21小時(shí)就會(huì)升起一次。最初的大陸還處在形成階段，地球表面絕大部分是海，海水中生活著微生物，其中一類名為“藻青菌”的微生物發(fā)生了一種強(qiáng)大而獨(dú)特的化學(xué)反應(yīng)。多虧了這種反應(yīng)，藻青菌可以依靠陽光生存，將陽光轉(zhuǎn)化為糖。與此同時(shí)，這一反應(yīng)還產(chǎn)生了一種藻青菌用不上的副產(chǎn)品：氧氣。藻青菌到處都有，又善于運(yùn)用這種反應(yīng)，最后竟然慢慢改變了世界。它先是改變了海洋的化學(xué)組成，隨后又改變了大氣的化學(xué)組成。氧氣過去是“緊俏貨”，但藻青菌讓氧氣變成了“大路貨”。無法忍受氧氣的生物要么滅絕了，要么躲到了沒有氧氣的陰暗角落。

一天，一個(gè)有機(jī)物吃掉了一個(gè)藻青菌。藻青菌非但沒死，還在有機(jī)物里安了家。這一看似離譜的巧合將生命引向了新的方向。光合作用的秘密就這樣被這個(gè)有機(jī)物獲取了，而這個(gè)有機(jī)物又是藻類植物的祖先，這也是為什么藻類植物會(huì)光合作用。

經(jīng)過10億年的漫長歲月，地球的自轉(zhuǎn)速度降了下來，幾塊大陸先是撞到一起形成了羅迪尼亞超大陸，隨后再次分家。藻類植物在這個(gè)過程中進(jìn)化出了不同的種類：一部分藻類繼續(xù)在水中生活，另一部分則慢慢扎根陸地。再后來，就有了今日蕨類植物和蘚類植物的祖先。那時(shí)的地球不缺空蕩蕩的土地，陽光更是到處都有，借用一位植物學(xué)家的說法，植物自然會(huì)覺得陸上生活“難以抗拒”。它們舒展枝葉，越長越高。植物崛起為植食動(dòng)物的出現(xiàn)創(chuàng)造了條件。到了石炭紀(jì)，高大的植物隨處可見，穿梭其中的飛蟲，翼展可達(dá)0.6米。

兩億年后，到了白堊紀(jì)早期，地球上出現(xiàn)了會(huì)開花的植物，它們很快取代了上一代植物的統(tǒng)治地位。植物雖然很早就出現(xiàn)了，但植物從頭到尾的求生之道與最初那個(gè)吸收藻青菌的藻類植物祖先是一致的。無盡的歲月中，植物都是依托光合作用生存。1萬年前，人類開始馴化植物，再后來，人類學(xué)會(huì)了灌溉、施肥，掌握了雜交技術(shù)，但這些人為干預(yù)并沒有改變植物光合作用的特性。

| 低效的光合作用 |

伊利諾伊大學(xué)厄巴納–香檳分校的斯蒂芬·隆教授是生物學(xué)和農(nóng)業(yè)科學(xué)的專家，同時(shí)也是“提升光合作用效率”項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。該項(xiàng)目立項(xiàng)的前提是，光合作用的效率或許還有提升空間。

葉綠體是植物光合作用的“工作間”，吸收光時(shí)會(huì)引發(fā)光反應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。這一系列反應(yīng)的媒介是蛋白質(zhì)，反應(yīng)如何發(fā)生也早就刻在了基因里。第一系列的反應(yīng)結(jié)束后，第二系列的反應(yīng)會(huì)用化學(xué)能來組建碳水化合物，這一過程需要調(diào)動(dòng)更多的蛋白質(zhì)。光合作用是一種非常復(fù)雜的生物過程，隆研究之初，光合作用的許多方面還是個(gè)謎，后來他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)借助新的分子工具，一點(diǎn)點(diǎn)破解了謎題。他們發(fā)現(xiàn)，光合作用總共包括150多個(gè)步驟，牽扯到的基因大概也是150多個(gè)。

隆對(duì)光合作用錯(cuò)綜復(fù)雜的過程了解得越多，就越能體會(huì)到這一過程的低效。有人喜歡拿光合作用和光伏電池發(fā)電作比較：市面上的光伏電池能把兩成左右的太陽光轉(zhuǎn)化為電能，研究員在實(shí)驗(yàn)室更是能做到近五成的轉(zhuǎn)化率，而植物只能轉(zhuǎn)化1%左右的太陽光。這種比較從生物學(xué)角度來講并不公平：植物的結(jié)構(gòu)是天生的，光伏電池則是人類消耗其他能源制造出來的；植物可以儲(chǔ)存自己的能量，光伏發(fā)電則需要獨(dú)立的電池儲(chǔ)存電能。也有研究員考慮到了這些，但他們計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，輸家仍是植物。

隆最早在英國埃塞克斯大學(xué)任教。他那時(shí)就堅(jiān)信，如果能精簡優(yōu)化光合作用的過程，那植物必定大有可為。這將為農(nóng)業(yè)帶來了不得的變化，這意味著人類或許可以創(chuàng)造新品種，用更少的種植面積換取更多的糧食。隆說：“我們很清楚，哪怕是產(chǎn)量最高的農(nóng)作物，也只是利用了光合作用潛能的很小一部分。我們?nèi)绻苷页鎏嵘夂献饔眯实姆椒?，就能提高產(chǎn)量?！?/p>

有的生物學(xué)家對(duì)此持懷疑態(tài)度。他們認(rèn)為，光合作用如果真的有提升空間，過去幾億年的漫長時(shí)光，植物自己早該碰到了。隆表示，這一思路是有問題的，進(jìn)化的迫切需求是活下去，而非尋找最優(yōu)解。對(duì)植物來說，光合作用夠用即可?！斑M(jìn)化并不是為了提高生產(chǎn)力，”他說，“而是為了把基因傳遞給下一代?！?/p>

| 項(xiàng)目從無到有 |

1999年，隆決定創(chuàng)造新的光合作用。此時(shí)，他任教的大學(xué)變?yōu)榱艘晾Z伊大學(xué)。該校研究人員此前有過不少與光合作用相關(guān)的重大發(fā)現(xiàn)。隆的設(shè)想是用計(jì)算機(jī)搭建模型，一對(duì)一地模擬光合作用的150多個(gè)步驟。他嘗試了好幾年，但不是這兒出問題就是那兒出問題。

這一設(shè)想最后能走下去，多虧了美國航空航天局一位研究導(dǎo)彈引擎的計(jì)算機(jī)科學(xué)家?！八嬖V我，‘我也遇到過一模一樣的問題，我是這樣解決的?！甭』貞浀溃拔覀兏献?，按他的思路試了一下，果然成了！”光合作用過于復(fù)雜，牽扯到的數(shù)學(xué)運(yùn)算自然也非常復(fù)雜。光是模擬一片樹葉幾分鐘的變化，電腦就要完成數(shù)百萬次的計(jì)算。

模型順利運(yùn)行意味著隆不用種就能制造出屬于他的新葉子。他可以借助模型探究光合作用的短板，測試可能的解決方案。舉例來說，某個(gè)基因會(huì)生成某種特定的酶，他可以試著讓基因產(chǎn)生更多的這種酶。這樣的嘗試能否提升光合作用的效率呢？還是說，它會(huì)讓光合作用出問題？模型能幫助他計(jì)算這些人為干預(yù)的結(jié)果?！爱?dāng)然了，100次嘗試，有99次都會(huì)讓事情變得更糟?！甭≌f。

好在100次嘗試，有1次成功就夠了。隆發(fā)現(xiàn)，光合作用的一些步驟被調(diào)整后，效率確實(shí)有所提升。2006年，他發(fā)表了一篇文章，列舉了六種提升光合作用效率的可能性。他的想法引起了不少人的關(guān)注，其中包括比爾及梅琳達(dá)·蓋茨基金會(huì)的高層。2012年，基金會(huì)為隆和他的團(tuán)隊(duì)提供了2500萬美元的資金，“提升光合作用效率”項(xiàng)目就此成立。之后，項(xiàng)目還得到了其他基金會(huì)的支持。

“要想解決全球糧食危機(jī)，我們需要多種創(chuàng)新?！北葼枴どw茨在一封電子郵件中寫道，“為了提高產(chǎn)量，我們還需要足以改變游戲規(guī)則的重大突破?！?/p>

| 光合作用2.0 |

隆2006年發(fā)現(xiàn)的六種可能性中，有一條提到了“非光化學(xué)猝滅”。植物跟我們一樣，都需要陽光，但陽光太多了也不行。非光化學(xué)猝滅是植物保護(hù)自己的方式，陽光過多，植物可以借助這種反應(yīng)將多余的光以熱量的形式散失掉。不過，非光化學(xué)猝滅不夠靈敏，一旦啟動(dòng)，一時(shí)半會(huì)很難停下來，即使光照不足了，還是會(huì)繼續(xù)進(jìn)行一陣子。隆的模型表明，我們可以借助基因改造的手段，讓非光化學(xué)猝滅變得更加靈敏。

研究人員用煙草測試了這一假設(shè)的可行性。他們給煙草嵌入三種基因，而后在溫室種植。相比正常的煙草，這些轉(zhuǎn)基因煙草確實(shí)長得更快，產(chǎn)量也更高。隨后，他們將轉(zhuǎn)基因煙草種到了試驗(yàn)田。結(jié)果顯示，相比對(duì)照組，轉(zhuǎn)基因組的產(chǎn)量要高20%。

我在厄巴納期間，隆帶我參觀了他的試驗(yàn)田。那是夏天最熱的幾天，為了避免受罪，我們約到了早上8點(diǎn)。試驗(yàn)田有好幾座45米高的鐵塔，上面搭設(shè)了電線還有傳感器。這些傳感器可以發(fā)射激光束和感應(yīng)紅外線，其功能是跟蹤記錄植物每天的變化。

隆帶我走到了一片被電網(wǎng)圍起來的試驗(yàn)田。這片土地被分割成了40塊同樣大小的長方形區(qū)域，每一塊都插著白色標(biāo)簽。田里種著各個(gè)品種的大豆，基因調(diào)整的方式與前文提到的煙草一致，目的也一樣，都是為了讓非光化學(xué)猝滅變得更加靈敏?！翱赡苁腔糜X，但我覺得確實(shí)長高了一些。”他彎腰看了看大豆，“到了這個(gè)階段，一定要非常小心?！?/p>

另一片試驗(yàn)田種著煙草，個(gè)頭不高。隆說，這一片主要是為了解決光合作用的另一個(gè)累贅，這個(gè)累贅和核酮糖二磷酸羧化酶有關(guān)。

植物制造糖，原料是空氣中的二氧化碳，而核酮糖二磷酸羧化酶的主要任務(wù)就是抓取二氧化碳，可以說是植物制造糖的第一步。但是，和非光化學(xué)猝滅一樣，核酮糖二磷酸羧化酶也有慢半拍的特點(diǎn)，更糟糕的是，它還經(jīng)常犯錯(cuò)。工廠流水線上的工人有時(shí)會(huì)拿錯(cuò)零件，核酮糖二磷酸羧化酶也會(huì)犯同樣的錯(cuò)誤，本應(yīng)抓取二氧化碳，卻抓成了氧氣。這種酶一旦抓取了氧氣，植物就會(huì)生成有毒物質(zhì)，之后還要設(shè)法分解有毒物質(zhì)。植物為這一連串動(dòng)作付出了極大的代價(jià)，據(jù)估計(jì)，光合作用的效率因此折損了四成。隆的團(tuán)隊(duì)借助細(xì)菌和藻類植物的基因，有望縮短植物分解有毒物質(zhì)的過程。

隨后，我們乘車駛離試驗(yàn)田，下車后，我眼前是一個(gè)巨大的溫室。進(jìn)去前，我們穿上了白大褂和無菌鞋?？块T的位置擺放著一些用玻璃紙包裹的煙草，溫室內(nèi)剩余的空間是一排排看上去像硬盤播放機(jī)的設(shè)備。我問了才知道，這些是高靈敏度的秤，連著高精度的灌溉系統(tǒng)。研究人員將植物樣本放到秤上，能夠精確控制澆水量，并準(zhǔn)確稱出植物的個(gè)頭變化。溫室可以同時(shí)測試400個(gè)樣本，哪種轉(zhuǎn)基因的效果最好，很快就能測出來。工作人員撥動(dòng)了一個(gè)開關(guān)，腳手架上的攝像頭跟著動(dòng)了起來，這些攝像頭會(huì)持續(xù)拍攝樣本的生長過程，哪怕是葉子彎曲程度的變化，也可以拍得一清二楚。

自2012年成立以來，“提升光合作用效率”項(xiàng)目規(guī)模越做越大，至今已有近百名研究員，工作區(qū)域涉及四個(gè)洲。除了非光化學(xué)猝滅和核酮糖二磷酸羧化酶外，隆還希望能夠找到其他提高光合作用效率的突破口。他下一步想修改一些重要農(nóng)作物的基因，比如土豆、玉米、豇豆和木薯。

| 將水稻培育成碳四植物 |

大約3000萬年前，有一株植物掌握了一種提升光合作用效率的技巧。這一技巧在光合作用原有步驟的基礎(chǔ)上加了新步驟，即將二氧化碳聚集在核酮糖二磷酸羧化酶周邊。如此一來，這種酶就不會(huì)犯錯(cuò)誤，抓取氧氣了。這一招雖然消耗了植物的部分能量，但總體而言還是利大于弊，因此很多植物都跟著效仿了起來。這種光合作用被稱為“碳四途徑”，一般的光合作用則被稱為“碳三途徑”。世界上有不少糧食作物屬于碳四植物，其中包括玉米、小米和高粱，還有很多草類也是碳四植物，比如馬唐和風(fēng)滾草。

相比碳三植物，碳四植物還有省水省氮的優(yōu)勢，省氮意味著省肥料。水稻屬于碳三植物，但在27年前，植物生理學(xué)家約翰·希伊提出了將水稻改為碳四植物的想法。當(dāng)時(shí)，許多人都覺得他異想天開。1999年，他組織了一場會(huì)議，正式提出了自己的想法，參會(huì)者普遍認(rèn)為這一想法完全沒法實(shí)現(xiàn)。希伊并沒有放棄，2006年，他再次召集會(huì)議，這一次，不少參會(huì)者覺得希伊的設(shè)想值得一試，劍橋大學(xué)的簡·蘭代爾就是其中之一。她說：“大家當(dāng)時(shí)有一種機(jī)不可失的感覺?！碧妓乃卷?xiàng)目就這樣成立了，如今，蘭代爾是該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。

“提升光合作用效率”項(xiàng)目和碳四水稻項(xiàng)目可以被視為“用21世紀(jì)的手段解決21世紀(jì)的問題”。不論是福是禍，人類現(xiàn)在確實(shí)有能力對(duì)基因“動(dòng)手腳”。如果我們能提升光合作用的效率，或者讓糧食作物在這一過程中少出差錯(cuò)，我們自然可以減投增收。果真如此，受益的將不僅僅是人類，其他物種的棲息地也能得以保存?？的螤柎髮W(xué)教授愛德華·馬巴亞告訴我：“20年后，這一技術(shù)將帶來巨大變化。”

不過，從很多角度看，21世紀(jì)的問題其實(shí)是19世紀(jì)和20世紀(jì)的遺留問題，我們很難說新工具就一定比過去的工具有效。馬巴亞告訴我，撒哈拉以南非洲地區(qū)的研究人員已經(jīng)采用常規(guī)育種方式培育出了許多優(yōu)秀的新品種。“但是，大部分新品種都逃不過被束之高閣的命運(yùn)。”他說，“這些種子壓根到不了農(nóng)民手里?！?/p>

堪薩斯州立大學(xué)的農(nóng)業(yè)科學(xué)家巴拉·普拉薩德也說過類似的話。我們并不缺好品種，但很多農(nóng)民就是不種這些品種。有的是因?yàn)榉N不起，比如雜交作物收獲的果實(shí)沒法當(dāng)種子用，農(nóng)民每年都得重新購買種子。按理說，雜交作物產(chǎn)量高，其收益完全可以覆蓋購買種子的支出，但農(nóng)民拿不出足夠的現(xiàn)金。普拉薩德說：“我們一個(gè)勁地討論技術(shù)，卻總是忽略了社會(huì)層面的問題?！?/p>

植物病理學(xué)家諾曼·博洛格是諾貝爾和平獎(jiǎng)獲得者，他認(rèn)為，我們要警惕技術(shù)可以解決一切社會(huì)問題的觀點(diǎn)。博洛格說過這樣一句話：“農(nóng)業(yè)生產(chǎn)沒有奇跡?！本退慵Z食產(chǎn)量可以跟上人口增長的速度，分配問題依然存在。當(dāng)今社會(huì)，有人富得流油，有人卻連自己的孩子都喂不飽。博洛格為此感慨，“時(shí)至今日，地球上仍然存在兩個(gè)天差地別的世界，這真是個(gè)悲劇?！?/p>

[編譯自美國《紐約客》]

編輯：要媛