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用高科技喂饱地球人

来源:南方都市报     2019年07月28日        版次:GA08    作者:张天隽

奥特教授培植的高产烟草。 图片来源:Speigel.de

1. 感染了木薯棕色条纹病的木薯根部。 图片来源:plantwis-e.org

2. 1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶的四维填充模型,这种酶在光合作用的过程中帮助植物摄取二氧化碳。来源:Wikipedia

3. 让-米榭·阿内教授研究的古老玉米品种上的带黏液气根。 图片来源:Speigel.de

据联合国预测,到2050年,世界人口将达到100亿以上,随之而来的,是全世界对食物的需求提高一倍。怎么才能解决地球人的温饱问题?科学家们想出了新招

自从工业革命之后,人类总人口就开始了爆炸式增长。全球总人口用了约20万年才达到10亿,可是从10亿到70亿却只花了约200年。俗话说:“人是铁饭是钢,一顿不吃饿得慌”,紧随着人口增长而来的大问题便是对食物的需求。

据联合国世界人口研究预测,到2050年世界人口可能达到100亿以上,随之而来的,全世界对食物的需求将会是如今的一倍。因此,如何利用日渐紧缩的土地和资源来供给如此多的食物也成了科学家们的一个研究方向。

以下,是三个植物学家在增加作物产量方面的研究。

唐纳德·奥特教授:农作物的训练师

唐纳德·奥特是美国伊利诺伊州立大学研究植物生化转化过程的著名教授。他认为,植物在经过漫长的进化之后,拥有许多令人叹为观止的能力,虽然这些能力不一定是完美的,可是经过科学家的“调试”之后,就会带来无限可能。他提出,植物光合作用的效率其实非常低:植物在光合作用中一般只会用到可用阳光的5%,那如果我们把这一效率提高到20%的话,那么农作物的产量就能翻倍,甚至更多。

那么奥特教授提出了什么具体做法呢?原来,研究表明植物在光合作用时,需要一种叫做“1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶”的酶来吸收必不可少的二氧化碳。然而,这种酶在作用时有约25%的几率会与氧气而不是二氧化碳结合。这不仅无法完成光合作用,降低了光合作用的效率,还会生成一种毒素。为了分解这种毒素,植物还要浪费更多的额外能量。所以,如果能够“训练”农作物在光合作用时不与氧气结合,那么便能大大地提高产量。

然而这并非是一个简单的方法,而奥特教授还开发了另一种更容易实现的方法。在奥特教授的试验田里,种植着经过改造的烟草植株。这种烟草相比于普通的烟草,在分解光合作用产生的毒素时更有效率,需要的能量更少。在精心培育之后,改造过的烟草产量比普通烟草要高出45%。因为这一成果,很多烟草公司都向奥特教授抛出了橄榄枝,可是奥特教授却拒绝了他们。他向德国《明镜周刊》说:“我们现在已经把注意力放在更加重要的农作物上了,比如土豆之类的。我希望这种技术能够帮助到真正需要的人。”

丽贝卡·巴特博士:农作物的医生

众所周知,身体是革命的本钱,这对于农作物来说也是对的。在美国圣路易斯的唐纳德·丹佛斯植物研究中心研究农作物疾病的学者丽贝卡·巴特博士认为,不管一种植物自身的效率多高,产量有多大,如果感染了疾病的话就是竹篮打水一场空了。

目前,她专注于研究木薯的疾病防治。一方面,木薯是受到许多发展中国家欢迎的农作物,因为这种作物能够在非常恶劣的环境茁壮生长,其根部可供食用,受到许多消费者欢迎的珍珠奶茶中的珍珠的主要成分就是木薯粉。另一方面,木薯的生产受到一种名为木薯棕色条纹病的病毒感染的威胁。感染这种病的木薯根部会被破坏,但是地表上的部分却不会有什么改变,因此这种病可以悄悄侵蚀一整片木薯田而不被发现,给农民带来极大的损失。

为了应对这种危机,巴特博士通过基因改造的手段,培育对这种病有天然抗性的品种。目前来看,巴特博士培育出来的品种虽然不能完全避免木薯棕色条纹病,但是其抵抗力已有显著提升。

然而,现阶段培育出来的品种的成本还需要进一步压低,因为作为一种需要广泛推广的农作物,巴特博士公开自己的研究进度与成果,并与许多农民保持着沟通,希望她培育出来的木薯品种的价格能够更实惠,更贴近农民的实际需求。

让-米榭·阿内教授:农作物的营养师

让-米榭·阿内教授是美国威斯康星州立大学研究细胞与分子生物学的教授。他认为,各种化肥的使用对目前的农业来说逐渐变成一副枷锁。目前来说,化肥的确提高了许多种农作物的产量,可是从长期来看,化肥本身不仅污染了土地和水体,其生产过程中还使用了大量的化石燃料,对环境造成污染。同时,农民在化肥上的花费也非常高:研究指出,一般农产品的成本中约有30%花在了花费上。然而,也有一些作物对化肥的需求比较小,其从自然环境中摄取营养的能力更强。比如说大豆就是这样一种作物,因为大豆能够与一种细菌共生,这种细菌通过一种酶来帮助大豆从空气中摄取生长所必须的氮元素。让-米榭·阿内教授的目标就是试着让植物能够生产这种酶,这样就可以自己从自然环境中摄取更多必要的元素,进而减少化肥的用量。

让-米榭·阿内教授将注意力放在一种古老的玉米品种上。这种玉米从很久以前就被墨西哥的原住民栽种在贫瘠的高原上。这些原住民的居住环境通常在海拔1500到2000米左右,而且他们不会给玉米施肥,可是这些玉米在这种条件下仍然能生长到六米高。经过研究,这种玉米能够从空气中摄取自身所需的约50%的氮元素,大豆通过与细菌共生也能达到类似的水平,可是普通玉米从空气中摄取的氮元素大约只占自身所需的0.1%。

这种特殊的玉米从空气中摄取氮元素的特长引起了研究者极大的兴趣。通过研究发现,答案就藏在这种玉米的气根之中。这种玉米全身上下都生长着一种特殊的气根。这种气根在下雨后会分泌出一层黏液。这种气根非常适合细菌附着并生存在其上,而这些细菌则帮助玉米摄取空气中的氮元素。

根据让-米榭·阿内教授的说法,类似的气根已经在其他的一些作物上复制出来了,可是要配置出能够普及的改良作物可能还需要5到10年的时间,而且也没办法完全不用化肥。但是,如果能够减少化肥的使用量的话,对于环境也好经济效益也好都是一件好事。

本版供稿 南都实习记者 张天隽

  用爱心驱动科技进步

从这些科学家的研究中我们可以看出,他们不仅学术功底扎实,而且还有着博爱的胸怀和丰富的想象力。可以说,靠着全世界的类似的科学家们的努力和农民们的辛勤劳作,人类在消灭饥饿的道路上已经有了长足的进步。目前来看,全世界面临食物短缺问题的人口只有11%,创下了历史新低。只要秉持着这种扎实、开放而博爱的态度继续研究下去,不仅食物产量的问题能够克服,其他的许许多多的问题也一定能够得到解决。

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