回收失去的能量:我们可以利用光合作用来提高作物产量吗?

如果你养活自己的能力依赖于一个在20%的情况下出错的过程呢?

我们每天都面临这种情况。这是因为产生我们所吃的食物的植物进化来解决数十亿年前产生的化学问题。植物在进化过程中利用二氧化碳来制造我们的食物和我们呼吸的氧气——这一过程被称为光合作用。但是它们长得很好，产生了大量的氧气，这种气体开始支配大气。对植物来说，二氧化碳和氧气看起来非常相似，有时，植物用氧气代替二氧化碳。当这种情况发生时，有毒化合物就会产生，这会降低作物产量，让我们每年损失148万亿卡路里的未实现的小麦和大豆产量——或者是足够的卡路里新增2亿人口整整一年。

提高作物产量，以生产更多的粮食在更少的土地是不是一个新的挑战。但是，随着全球人口的增长和饮食改变，这个问题变得更加紧迫。这很可能是我们将不得不之间增加粮食产量25 - 70到2050年，有足够的食物供应。

作为植物生物化学家我一直着迷于光合作用对我的整个职业生涯，因为我们欠我们的整个存在这种单一的过程。我自己对农业科研的兴趣促使这个挑战：植物为食的人，我们需要快速开发解决方案，养活更多的人。

阿曼达·卡瓦纳(Amanda Cavanagh)在一个专门的温室里对烟草植物进行了基因改良试验，以挑选出具有能提高关键粮食作物产量的基因设计的品种。克莱尔·本杰明/ RIPE项目，CC BY-ND

加速光合作用以生产更多的食物

这可能需要几十年的农业创新，例如良种达到种植者的领域，无论他们是通过遗传学手段或传统育种产生。该高产作物品种即第一次绿色革命中饲养有助于通过增加的比例防止在上世纪60年代的粮食短缺grain-to-plant生物量。它是包含大部分工厂的卡路里消耗的粮食，所以有更多的粮食，而不是稻草手段更多的食物。但大多数作物现在这样提高他们接近其理论极限。

在国际项目中，我的工作称为实现光合效率增加（成熟），这需要另一种方法。该工厂使用转二氧化碳和水转化为更大的作物产量的太阳能过程 - 我们正在通过提高光合作用的效率提高收成。在我们最新的出版物我们通过显示高达40％的重路由一系列化学反应常见的大多数我们的主食作物，以提高作物产量的方法之一。

光呼吸花费大量的精力

的热量三分之二我们在全球的消费直接或间接地来自四种作物:水稻;小麦;大豆;和玉米。其中，前三个受到光合作用故障的阻碍。通常，从大气中捕获二氧化碳的酶Rubisco，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。相反，这种酶会夺取一个氧分子。化学反应产生的不是糖和能量，而是乙醇酸和氨，这对植物是有毒的。为了解决这一问题，植物进化出了一种被称为光呼吸的过程，这种过程耗费大量能源，可以循环利用这些有毒化合物。 But toxin recycling requires so much energy that the plant produces less food.

在其他植物中，一些更有效的自然循环途径已被基因工程改造，以改善温室和实验室条件下的生长和光合作用。

光呼吸的用途这么大的能量，有些植物如玉米，以及光合细菌和藻类，已经进化机制，以防止Rubisco酶接触到氧气。其他生物，如细菌，已经发展更有效的方式来消除这些毒素。

这些天然的解决方案，激发了许多研究者试图来调整光呼吸，提高作物产量。一些更有效的自然发生的回收途径已经基因工程在其他植物中提高生长和光合作用的温室和实验室条件。另一种策略已经被用来改变自然光呼吸和加速循环。

化工弯路提高作物产量

红色的车代表了未经改造的植物，它们使用一种被称为光呼吸的迂回且能源昂贵的过程，消耗产量潜力。蓝色的车代表植物设计了一条捷径光呼吸，使这些植物节省燃料和重新投资他们的能量，以提高生产力高达40%。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。化石燃料消耗增加的大气二氧化碳促进了光合作用，允许植物使用更多的碳。你可能会认为这将解决吸氧的错误。但是，更高的温度通过光呼吸促进有毒化合物的形成。我们预计，即使二氧化碳浓度增加一倍以上的18％的收获产量损失因为随着温度的升高，温度几乎升高了4摄氏度。我们不能依靠不断增加的二氧化碳来生产我们到2050年所需要的所有粮食。

与我一起工作保罗南，研究分子生物学家与农业部美国能源部，农业研究服务和教授不支持他是伊利诺伊大学(University of Illinois)专攻作物科学的生物学家，目的是探索改变光呼吸的化学反应是否可能提高作物产量。使乙醇酸毒素循环如此低效的一个因素是，它在植物细胞内的三个隔间中移动。这就像把一个铝罐放进三个不同的回收工厂一样。我们设计了三个新的捷径，可以在一个地方回收化合物。我们还阻止了自然过程的发生。

四种未修饰的植物（左）一起成长的替代路线，以快捷方式设计的光呼吸四个厂旁边。修改后的植物能够通过40％的能源和资源再投资来提高生产率。克莱尔·本杰明/ RIPE项目，CC BY-ND

设计在硅片;在土壤测试

农业研究创新可以在模型物种中快速测试。烟草非常适合这一点，因为它很容易进行基因工程并在田间种植。烟草的另一个优点是它的生命周期短，能产生大量种子，并形成类似于其他大田作物的叶冠层，因此我们可以在短时间内衡量我们的基因变化的影响。然后我们就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种具有独特基因的烟草植物，以找到最有效地回收乙醇酸的基因组合。然后我们让这些转基因植物不需要二氧化碳。这触发了毒素乙醇酸的形成。然后我们确定了哪些植物生长得最好——这些植物的基因组合能够最有效地回收毒素。在接下来的两年里，我们进一步在真实的农业条件下测试了这些植物。拥有最佳基因组合的植物比未经过基因修饰的植物早开花一周左右，长得更高，比未经过基因修饰的植物大40%左右。

两年多的实地试验，科学家唐纳德的Ort（右），保罗·南（中心）和阿曼达·卡瓦纳发现的工程修改光呼吸烟草植物在现实世界中现场条件更富有成效。现在，他们正在把这项技术，希望能够提高主要粮食作物，包括大豆，大米，豇豆和木薯的产量。克莱尔·本杰明/ RIPE项目，CC BY-ND

在烟草方面显示出概念证据在美国，我们开始在粮食作物上测试这些设计:大豆;豇豆;水稻;土豆;番茄;和茄子。很快，我们就能更好地了解通过我们的改良我们能在多大程度上提高这些作物的产量。

一旦我们证明了我们的发现可以转化为粮食作物，美国食品和药物管理局和美国农业部将严格测试这些修饰的植物，以确保它们是供人食用安全不构成任何危险的环境中。这样的测试可以成本高达1.5亿$，并采取10年以上。

由于光呼吸的过程是跨越植物物种共同的，我们乐观地认为，我们的战略将提高作物产量的近40％，帮助找到一种方法，生长在更少的土地较多的食物，以便能够在2050年养活一个饥饿的全球人口。

披露声明：阿曼达·卡瓦纳从实现光合效率增加（RIPE）获得资助，一个国际研究项目工程作物更有效地进行光合作用，以可持续地提高全球粮食产量与比尔和梅林达·盖茨基金会，该基金会为粮食和农业研究（支持FFAR), and the U.K. Government’s Department for International Development (DFID).