Science: 人为提升光合作用效率，会打开潘多拉的魔盒吗？
海归学者发起的公益学术平台
分享信息，整合资源
交流学术，偶尔风月
大自然的设计固然精妙，但我们不能否认依然存在许多值得改进提升的地方。近期，生物学家通过补偿光合作用的基本缺陷，将烟草植株中生物质能 (biomass) 的含量提高了40%。
目前，研究团队正在努力从豇豆与大豆入手，将这一成果应用于粮食的增产。伊利诺伊大学厄巴纳分校参与该研究的成员之一Amanda Cavanagh说：“我们的研究资助机构希望能把这项技术推广到世界上的贫穷地区。”
生命主要由蛋白质构成，蛋白质则是由碳链折叠而成。而植物主要是通过从空气中获取二氧化碳来合成这些碳链。这就是我们熟知的光合作用。
图片来自网络
然而，即便大自然鬼斧神工，掌握万物的吐纳生息，依然难免有些小错误。植物捕捉到空气中的二氧化碳将其转化为碳链中的碳的时候，有时会错误地捕捉到氧分子，这时候就会产生有毒物质，植物体不得不耗费能量来消灭这些有毒物质。这个小缺陷被视为进化历程最大的错误之一。
之所以会出现上述缺陷，是因为在最开始进化出光合作用的时候，地球上的氧气非常稀薄。随着地球上二氧化碳浓度的下降和氧气浓度的上升，植物常常会错误地吸入氧气进行光合作用，这个过程被称为“光呼吸”，由于其发生频率越来越高，会令光合作用的效率降幅达50%。
有部分求生欲强的植物自己进化出了弥补方案，它们将吸收到的二氧化碳浓缩在体内，以减少错误吸氧的几率。然而大部分植物，包括几乎所有的蔬菜、水果，以及小麦、大米和大豆等主要粮食作物都无法做到这一点。科学家花费了几十年的时间希望能够解决这一难题。
Cavanagh及其研究团队设计了三个新路径来处理光呼吸产生的有毒副产物，试图从改变光合作用的过程入手解决问题。烟草作为一种易于修改遗传基因且生命周期相对较短的植物，首先被应用到实验当中，结果发现对比两季试验田的烟草，效果最好的植株生物质能提高了40%。
此前，在2016年，另一个研究团队通过提高植物应对不断变化的光照情况的能力，将烟草的生物质能提高了15%，Cavanagh团队希望能将这两个成果结合起来，产生叠加收益。
图片来自网络
当然，对基本的光合作用进行优化提升也面临一定风险，有人担心对植物特性进行人为的修改是否会对生态环境带来难以预判的后果。理论上来说，转化野生植物或与野生植物杂交的植物更具竞争力。但康奈尔大学的植物遗传学家Maureen Hanson表示：“即便这种特性扩散到农场外，也不太可能产生严重的影响。这么说吧，人类进行的传统农业其实已经打乱了原本的生态环境，这种新增特性产生的效果不会超过传统农业。”
德国杜塞尔多夫植物生物化学研究所的Andreas Weber则表示，野生植物的生长受限于水、氮和磷的供应，而非光合作用。所以这种特性哪怕流到野外很大概率也不会增加植物的自然选择优势。
除此之外，我们也必须将风险和收益对照权衡。目前大多数改良作物带来的产出提升见效甚微，然而此类研究却亟待推进以适应世界人口的增长，同时通过生物能源减少温室气体的排放，为野生动物的生存也留下空间。
就算光合作用的缺陷得以弥补，植物光合作用的光能转换效率依然远远低于太阳能电池板，所以目前科学家们也在努力开发人工的光合作用模式。
Science, DOI:10.1126/science.aat9077
点击左下角“阅读原文 ”查看论文原文。
扩展阅读
本文系网易新闻·网易号“各有态度”特色内容
媒体转载联系授权请看下方