光合作用2.0能否解决粮食危机？

伊丽莎白·科尔伯特

科研人员发现，植物与生俱来的光合作用效率很低，他们或许可以借助基因改造等手段提高光合作用效率，从而提升粮食产量。

| 光合作用的起源 |

故事要从20亿年前说起，那时的地球自转更快，太阳每隔21小时就会升起一次。最初的大陆还处在形成阶段，地球表面绝大部分是海，海水中生活着微生物，其中一类名为“藻青菌”的微生物发生了一种强大而独特的化学反应。多亏了这种反应，藻青菌可以依靠阳光生存，将阳光转化为糖。与此同时，这一反应还产生了一种藻青菌用不上的副产品：氧气。藻青菌到处都有，又善于运用这种反应，最后竟然慢慢改变了世界。它先是改变了海洋的化学组成，随后又改变了大气的化学组成。氧气过去是“紧俏货”，但藻青菌让氧气变成了“大路货”。无法忍受氧气的生物要么灭绝了，要么躲到了没有氧气的阴暗角落。

一天，一个有机物吃掉了一个藻青菌。藻青菌非但没死，还在有机物里安了家。这一看似离谱的巧合将生命引向了新的方向。光合作用的秘密就这样被这个有机物获取了，而这个有机物又是藻类植物的祖先，这也是为什么藻类植物会光合作用。

经过10亿年的漫长岁月，地球的自转速度降了下来，几块大陆先是撞到一起形成了罗迪尼亚超大陆，随后再次分家。藻类植物在这个过程中进化出了不同的种类：一部分藻类继续在水中生活，另一部分则慢慢扎根陆地。再后来，就有了今日蕨类植物和藓类植物的祖先。那时的地球不缺空荡荡的土地，阳光更是到处都有，借用一位植物学家的说法，植物自然会觉得陆上生活“难以抗拒”。它们舒展枝叶，越长越高。植物崛起为植食动物的出现创造了条件。到了石炭纪，高大的植物随处可见，穿梭其中的飞虫，翼展可达0.6米。

两亿年后，到了白垩纪早期，地球上出现了会开花的植物，它们很快取代了上一代植物的统治地位。植物虽然很早就出现了，但植物从头到尾的求生之道与最初那个吸收藻青菌的藻类植物祖先是一致的。无尽的岁月中，植物都是依托光合作用生存。1万年前，人类开始驯化植物，再后来，人类学会了灌溉、施肥，掌握了杂交技术，但这些人为干预并没有改变植物光合作用的特性。

| 低效的光合作用 |

伊利诺伊大学厄巴纳–香槟分校的斯蒂芬·隆教授是生物学和农业科学的专家，同时也是“提升光合作用效率”项目的负责人。该项目立项的前提是，光合作用的效率或许还有提升空间。

叶绿体是植物光合作用的“工作间”，吸收光时会引发光反应，将光能转化为化学能。这一系列反应的媒介是蛋白质，反应如何发生也早就刻在了基因里。第一系列的反应结束后，第二系列的反应会用化学能来组建碳水化合物，这一过程需要调动更多的蛋白质。光合作用是一种非常复杂的生物过程，隆研究之初，光合作用的许多方面还是个谜，后来他带领团队借助新的分子工具，一点点破解了谜题。他们发现，光合作用总共包括150多个步骤，牵扯到的基因大概也是150多个。

隆对光合作用错综复杂的过程了解得越多，就越能体会到这一过程的低效。有人喜欢拿光合作用和光伏电池发电作比较：市面上的光伏电池能把两成左右的太阳光转化为电能，研究员在实验室更是能做到近五成的转化率，而植物只能转化1%左右的太阳光。这种比较从生物学角度來讲并不公平：植物的结构是天生的，光伏电池则是人类消耗其他能源制造出来的；植物可以储存自己的能量，光伏发电则需要独立的电池储存电能。也有研究员考虑到了这些，但他们计算后发现，输家仍是植物。

隆最早在英国埃塞克斯大学任教。他那时就坚信，如果能精简优化光合作用的过程，那植物必定大有可为。这将为农业带来了不得的变化，这意味着人类或许可以创造新品种，用更少的种植面积换取更多的粮食。隆说：“我们很清楚，哪怕是产量最高的农作物，也只是利用了光合作用潜能的很小一部分。我们如果能找出提升光合作用效率的方法，就能提高产量。”

有的生物学家对此持怀疑态度。他们认为，光合作用如果真的有提升空间，过去几亿年的漫长时光，植物自己早该碰到了。隆表示，这一思路是有问题的，进化的迫切需求是活下去，而非寻找最优解。对植物来说，光合作用够用即可。“进化并不是为了提高生产力，”他说，“而是为了把基因传递给下一代。”

| 项目从无到有 |

1999年，隆决定创造新的光合作用。此时，他任教的大学变为了伊利诺伊大学。该校研究人员此前有过不少与光合作用相关的重大发现。隆的设想是用计算机搭建模型，一对一地模拟光合作用的150多个步骤。他尝试了好几年，但不是这儿出问题就是那儿出问题。

这一设想最后能走下去，多亏了美国航空航天局一位研究导弹引擎的计算机科学家。“他告诉我，‘我也遇到过一模一样的问题，我是这样解决的。’”隆回忆道，“我们跟他合作，按他的思路试了一下，果然成了！”光合作用过于复杂，牵扯到的数学运算自然也非常复杂。光是模拟一片树叶几分钟的变化，电脑就要完成数百万次的计算。

模型顺利运行意味着隆不用种就能制造出属于他的新叶子。他可以借助模型探究光合作用的短板，测试可能的解决方案。举例来说，某个基因会生成某种特定的酶，他可以试着让基因产生更多的这种酶。这样的尝试能否提升光合作用的效率呢？还是说，它会让光合作用出问题？模型能帮助他计算这些人为干预的结果。“当然了，100次尝试，有99次都会让事情变得更糟。”隆说。

好在100次尝试，有1次成功就够了。隆发现，光合作用的一些步骤被调整后，效率确实有所提升。2006年，他发表了一篇文章，列举了六种提升光合作用效率的可能性。他的想法引起了不少人的关注，其中包括比尔及梅琳达·盖茨基金会的高层。2012年，基金会为隆和他的团队提供了2500万美元的资金，“提升光合作用效率”项目就此成立。之后，项目还得到了其他基金会的支持。

“要想解决全球粮食危机，我们需要多种创新。”比尔·盖茨在一封电子邮件中写道，“为了提高产量，我们还需要足以改变游戏规则的重大突破。”

| 光合作用2.0 |

隆2006年发现的六种可能性中，有一条提到了“非光化学猝灭”。植物跟我们一样，都需要阳光，但阳光太多了也不行。非光化学猝灭是植物保护自己的方式，阳光过多，植物可以借助这种反应将多余的光以热量的形式散失掉。不过，非光化学猝灭不够灵敏，一旦启动，一时半会很难停下来，即使光照不足了，还是会继续进行一阵子。隆的模型表明，我们可以借助基因改造的手段，让非光化学猝灭变得更加灵敏。

研究人员用烟草测试了这一假设的可行性。他们给烟草嵌入三种基因，而后在温室种植。相比正常的烟草，这些转基因烟草确实长得更快，产量也更高。随后，他们将转基因烟草种到了试验田。结果显示，相比对照组，转基因组的产量要高20%。

我在厄巴纳期间，隆带我参观了他的试验田。那是夏天最热的几天，为了避免受罪，我们约到了早上8点。试验田有好几座45米高的铁塔，上面搭设了电线还有传感器。这些传感器可以发射激光束和感应红外线，其功能是跟踪记录植物每天的变化。

隆带我走到了一片被电网围起来的试验田。这片土地被分割成了40块同样大小的长方形区域，每一块都插着白色标签。田里種着各个品种的大豆，基因调整的方式与前文提到的烟草一致，目的也一样，都是为了让非光化学猝灭变得更加灵敏。“可能是幻觉，但我觉得确实长高了一些。”他弯腰看了看大豆，“到了这个阶段，一定要非常小心。”

另一片试验田种着烟草，个头不高。隆说，这一片主要是为了解决光合作用的另一个累赘，这个累赘和核酮糖二磷酸羧化酶有关。

植物制造糖，原料是空气中的二氧化碳，而核酮糖二磷酸羧化酶的主要任务就是抓取二氧化碳，可以说是植物制造糖的第一步。但是，和非光化学猝灭一样，核酮糖二磷酸羧化酶也有慢半拍的特点，更糟糕的是，它还经常犯错。工厂流水线上的工人有时会拿错零件，核酮糖二磷酸羧化酶也会犯同样的错误，本应抓取二氧化碳，却抓成了氧气。这种酶一旦抓取了氧气，植物就会生成有毒物质，之后还要设法分解有毒物质。植物为这一连串动作付出了极大的代价，据估计，光合作用的效率因此折损了四成。隆的团队借助细菌和藻类植物的基因，有望缩短植物分解有毒物质的过程。

随后，我们乘车驶离试验田，下车后，我眼前是一个巨大的温室。进去前，我们穿上了白大褂和无菌鞋。靠门的位置摆放着一些用玻璃纸包裹的烟草，温室内剩余的空间是一排排看上去像硬盘播放机的设备。我问了才知道，这些是高灵敏度的秤，连着高精度的灌溉系统。研究人员将植物样本放到秤上，能够精确控制浇水量，并准确称出植物的个头变化。温室可以同时测试400个样本，哪种转基因的效果最好，很快就能测出来。工作人员拨动了一个开关，脚手架上的摄像头跟着动了起来，这些摄像头会持续拍摄样本的生长过程，哪怕是叶子弯曲程度的变化，也可以拍得一清二楚。

自2012年成立以来，“提升光合作用效率”项目规模越做越大，至今已有近百名研究员，工作区域涉及四个洲。除了非光化学猝灭和核酮糖二磷酸羧化酶外，隆还希望能够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农作物的基因，比如土豆、玉米、豇豆和木薯。

| 将水稻培育成碳四植物 |

大约3000万年前，有一株植物掌握了一种提升光合作用效率的技巧。这一技巧在光合作用原有步骤的基础上加了新步骤，即将二氧化碳聚集在核酮糖二磷酸羧化酶周边。如此一来，这种酶就不会犯错误，抓取氧气了。这一招虽然消耗了植物的部分能量，但总体而言还是利大于弊，因此很多植物都跟着效仿了起来。这种光合作用被称为“碳四途径”，一般的光合作用则被称为“碳三途径”。世界上有不少粮食作物属于碳四植物，其中包括玉米、小米和高粱，还有很多草类也是碳四植物，比如马唐和风滚草。

相比碳三植物，碳四植物还有省水省氮的优势，省氮意味着省肥料。水稻属于碳三植物，但在27年前，植物生理学家约翰·希伊提出了将水稻改为碳四植物的想法。当时，许多人都觉得他异想天开。1999年，他组织了一场会议，正式提出了自己的想法，参会者普遍认为这一想法完全没法实现。希伊并没有放弃，2006年，他再次召集会议，这一次，不少参会者觉得希伊的设想值得一试，剑桥大学的简·兰代尔就是其中之一。她说：“大家当时有一种机不可失的感觉。”碳四水稻项目就这样成立了，如今，兰代尔是该项目的负责人。

“提升光合作用效率”项目和碳四水稻项目可以被视为“用21世纪的手段解决21世纪的问题”。不论是福是祸，人类现在确实有能力对基因“动手脚”。如果我们能提升光合作用的效率，或者让粮食作物在这一过程中少出差错，我们自然可以减投增收。果真如此，受益的将不仅仅是人类，其他物种的栖息地也能得以保存。康奈尔大学教授爱德华·马巴亚告诉我：“20年后，这一技术将带来巨大变化。”

不过，从很多角度看，21世纪的问题其实是19世纪和20世纪的遗留问题，我们很难说新工具就一定比过去的工具有效。马巴亚告诉我，撒哈拉以南非洲地区的研究人员已经采用常规育种方式培育出了许多优秀的新品种。“但是，大部分新品种都逃不过被束之高阁的命运。”他说，“这些种子压根到不了农民手里。”

堪萨斯州立大学的农业科学家巴拉·普拉萨德也说过类似的话。我们并不缺好品种，但很多农民就是不种这些品种。有的是因为种不起，比如杂交作物收获的果实没法当种子用，农民每年都得重新购买种子。按理说，杂交作物产量高，其收益完全可以覆盖购买种子的支出，但农民拿不出足够的现金。普拉萨德说：“我们一个劲地讨论技术，却总是忽略了社会层面的问题。”

植物病理学家诺曼·博洛格是诺贝尔和平奖获得者，他认为，我们要警惕技术可以解决一切社会问题的观点。博洛格说过这样一句话：“农业生产没有奇迹。”就算粮食产量可以跟上人口增长的速度，分配问题依然存在。当今社会，有人富得流油，有人却连自己的孩子都喂不饱。博洛格为此感慨，“时至今日，地球上仍然存在两个天差地别的世界，这真是个悲剧。”

[编译自美国《纽约客》]

编辑：要媛