找寻“未来作物”

江丰

“未来世界会变得更好吗”，关于这个问题的思考与讨论是当今许多科幻电影所热衷的主题。随着科技与工业的不断发展，人们对于自然的利用与改造已经变得十分广泛和深入，人类的物质生活也因此有了极大的提高。然而，对大自然肆无忌惮的索取与不计后果的开发也使得人类遭遇了前所未有的恶劣环境与生态危机。

所以，在科幻电影中，经常会出现环境极端恶劣的未来世界。在2014年热映的美国科幻电影《星际穿越》中，我们的未来世界也被描绘成这样一副模样：茫茫大地一片干旱，灰尘漫天，由于环境恶化和奇怪疫病，人类最终只能够依靠种植玉米来维持生存。那么，你可曾好奇过，为什么是玉米，为什么只有玉米能够在荒芜的未来世界里顽强生长，成为人类不可或缺的“未来作物”？

玉米为何能成为“未来作物”

现如今，玉米已经成为了影响人类社会发展的重要作物。目前全世界每年的玉米总产量达10亿吨以上，远超我们的日常主食水稻的每年不到5亿吨的总产量。虽然我们的日常饮食对玉米的需求量并不大，但玉米对于人类的畜牧业则是意义非凡。动物饲料主要都是由玉米加工而成，我们所食用的畜产品，如肉、蛋、奶等可以说都是玉米的间接产物。另一方面，玉米可被发酵为乙醇，这既是一种重要的酿酒原料，也可以作为机械使用的能源。

从单位面积的产量上来说，玉米与小麦、水稻相比并没有显著的优势。但是，玉米却具有后两者所不具有的特点——更加耐热、更加耐旱，这使得玉米更加适应未来干旱、高温的假想世界，这也许就是为什么编剧安排在电影《星际穿越》之中，环境恶化的地球上只剩下了玉米这一种作物。

植物们如何耐旱、耐光与耐热

水是生命之源，植物们也不例外。耐旱是未来作物的一大本领，我们常说开源节流，它们之所以能抗旱，得益于它们拥有比其他植物更发达的根系。通常，湿润土壤的含水量仅为20%左右，在干旱的环境之中土壤的含水量会更低。因此想要汲取更多的水分，拥有能扎得足够深的发达根系极为重要。并且，土壤中的水并不是简简单单的清水，而是溶解了无机盐（氮、磷、钾等无机物）的“盐水”，植物吸水主要依靠渗透原理，即利用不同液体之间的浓度差，根系细胞外低浓度的液体会主动透过细胞膜进入植物体内。因此，植物的抗旱能力往往和根系中细胞溶液的浓度高低息息相关。

抗旱植物自身无法生产无机物，它们的根系往往依靠氨基酸、甜菜碱和甘露糖等物质提高细胞液浓度来帮助根系吸水。其中，脯氨酸具有很高的水溶性，可以保护细胞膜系统，维持胞内酶的结构，减少胞内蛋白质的降解，脯氨酸的积累可以防止氮素的流失。目前，科学家通过已发现的这些原理和技术，在小麦中找到掌控脯氨酸积累的基因，并通过人工选择，选育抗旱小麦。

与干旱相伴的往往还有强烈的光照，因此，耐强光、耐高热是“未来作物”应该具备的另一大本领。其实，光照本身是植物生长所必备条件之一。作为植物生长最为重要的光合作用，太阳光经过叶绿体的加工产生能量与氧气本是个和谐的过程，但是在强光下，氧气分子中的电子对会被拆散，从而形成带单个电子的超氧离子（自由基）。它们会抢夺周围分子的电子以弥补自己所丢失的电子，从而破坏叶绿体和细胞膜的结构。而植物们为了抵抗这种强光照所带来的破坏，常常通过自身体内生产一种超氧化物岐化酶来保护自己，它会连同另一种过氧化物酶一起，给予自由基所需要的电子，把它们变成无害的水和氧气。

抗旱植物为了尽量避免高温所带来的强烈蒸腾作用，在自身的叶片结构上做出了特殊的改造。耐旱植物叶片的表皮就像保鲜膜一样能包住水分，不让它们逃离，有的甚至会加上蜡质层的保护，像保险箱一样把水分牢牢锁住。同时，耐旱作物叶片上的气孔密度比较小，一些植物（比如景天科植物），它们的气孔通常只在夜间开放，将二氧化碳吸收并储存起来，白天时再慢慢地在体内释放出来，进行光合作用。

“未来植物”特殊的固碳技巧

玉米除了以上的基本特征之外，能成为“未来作物”还与它独特的固碳方式有关。讨论玉米之前，我们先来看看水稻与小麦的固碳方式：当二氧化碳分子进入水稻和小麦的细胞后，首先会和一种名为二磷酸核酮糖的含有5个碳原子的分子（记为C5）结合，产生2个含有3个碳原子的分子（记为C3），其中一个C3分子通过一系列反应重新变为C5分子，而另一个C3分子则被合成为含有6个碳原子的糖类。以这种方式固定二氧化碳的植物最初产物的碳原子数目是3个，因此就把通过这种方式固碳的植物命名为C3植物，它们催化最初C5与二氧化碳结合的酶，被称为二磷酸核酮糖羧化酶。

然而，二磷酸核酮糖羧化酶有一个特点，它在二氧化碳浓度不足、光照过强或温度过高的情况下，会选择利用氧气氧化C5分子，这个过程称为光呼吸。这样一来，非但不能固定二氧化碳，反而会消耗C5分子，这对于需要通过固定二氧化碳来生产有机物的植物来说，不得不说是一个重大损失。

玉米却巧妙地规避了这一点。它的叶肉细胞分化为两种类型，一类和小麦、水稻类似，松散分散在叶片之中，而另一类则紧密围绕在叶脉周围。在那些直接和空气接触的松散叶肉细胞内，一种称为磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的酶被用来催化并固定二氧化碳，这种酶对二氧化碳有很强的亲和力，可以与二氧化碳相结合，将碳固定为一个具有4个碳原子的分子（记为C4）。而结合了二氧化碳的C4产物，则进入包围叶脉的细胞之中，在那里卸下二氧化碳，进行和C3植物中类似的产生糖类的过程。二氧化碳被富集到了围绕叶脉的细胞之中，此时二磷酸核酮糖羧化酶的氧化活性被细胞内较高浓度的二氧化碳所抑制，这样，就避免了上文所述的光呼吸这个过程的发生，光反应所造成的碳损耗就远低于C3植物。

在未来的假想世界中，在高温和强光下，地壳内丰富的硅酸盐的风化将加快，大量二氧化碳在硅酸盐风化时被吸收，并固定于地壳之中。大量丢失的二氧化碳将造成地球碳循环的崩溃。那时，对二氧化碳依赖度高的C3植物很可能将因不能得到足够的碳而“饿死”。而C4植物诸如玉米，却能够顽强低生存下去。同时，它们在干旱时可以部分地收缩气孔孔径，减少蒸腾失水，光合速率降低程度相对较小，提高水分在C4植物中的利用率。正是这些特性，使得C4植物在干热地区有明显的选择上的优势。

还有哪些“未来作物”

除了玉米，还有哪些作物能被我们给予期望？作为公认的耐旱能力最强的作物之一，高粱比玉米更适应恶劣的环境。高粱拥有异常强悍的根系，可使植物充分吸收利用贮存在土壤中的水分。在生长期内，每株高粱的耗水量仅为1.53千克，而玉米则需要2.32千克。同时它的叶片还具有发育良好的蜡质层，通过提高对光辐射的反射率以降低蒸腾。高粱的细胞壁具有伸缩性，可以调节失水速率，并且高粱可以调节叶片绿叶期，延长生长期。

除此之外，甘蔗也属于C4植物，它具有较高的光合效率，其本身合成的大量的蔗糖，可以直接被人类用于食品的生产，也是一种易种植的经济作物。

最后，也是最为重要的，就是我们要爱护地球，让所有的植物都能够健康蓬勃地生存下去，不要让“未来作物”成为未来世界荒芜大地上孤独的坚守者。