随着转基因大豆提高产量，科学家们为粮食安全的“关键”突破而欢呼

2022年8月19日-通过多基因生物工程，一种新型大豆被设计成能够更有效地吸收光，在不损失品质的情况下将产量提高25%。这项新研究背后的科学家强调，光合作用是所有植物将阳光转化为能量并产生产量的自然过程，是一个“低效得令人惊讶的100多步过程”。

经过十多年的努力，国际研究项目“实现提高光合效率”(RIPE)的研究人员报告说，这一关键进展没有损失作物的品质。

改善贫困地区的粮食获取和提高粮食作物的可持续性是本研究和RIPE项目的关键目标。

今年晚些时候正在对这些转基因大豆植物进行更多的实地试验，预计将于2023年初得出结果。

一旦这一概念在烟草中得到证实，研究人员就转向了更复杂的任务，即将遗传学应用到粮食作物大豆中。研究人员认为，这种规模的结果在一个更关键的时刻出现。

“对我个人来说，这是一条超过四分之一个世纪的道路，”伊肯伯里大学的主任Stephen Long说，他是伊利诺伊州Carl R. Woese基因组生物学研究所的作物科学和植物生物学教授。

他解释说:“首先对作物光合作用的理论效率进行理论分析，通过高性能计算模拟整个过程，然后应用优化程序，指出我们作物光合作用过程中的几个瓶颈。”

“过去十年的资金支持使我们能够缓解这些瓶颈，并在现场规模上测试产品。经过多年的考验和磨难，看到团队取得如此惊人的成绩，是非常值得的。”

实地测试一项新的创新
这项史无前例的研究，最近发表在科学之后，该小组改进了大豆植株内的VPZ结构，以提高光合作用，然后进行了实地试验，看看是否会因此提高产量。

VPZ结构包含三个编码叶黄素周期蛋白质的基因，这是一种有助于植物光保护的色素周期。一旦在充分的阳光下，这个循环就会在树叶中被激活，以保护它们免受伤害，让树叶消散多余的能量。

然而，当树叶被其他树叶、云层或天空中移动的太阳遮挡时，这种光保护就需要关闭，这样树叶就可以继续光合作用过程，获得充足的阳光。

植物需要几分钟的时间才能关闭保护机制，这使得植物失去了本可以用于光合作用的宝贵时间。

VPZ结构中的三种基因的过度表达加速了这一过程，所以每当叶子从亮到暗的过渡时，光保护就会更快地关闭。

树叶获得了额外的几分钟光合作用，当整个生长季节都加起来时，增加了总光合速率。这项研究表明，尽管产量增加了20%以上，但种子质量没有受到影响。

“尽管产量提高了，但种子蛋白质含量没有变化。这表明，从改善光合作用中获得的一些额外能量可能转移到植物结节中的固氮细菌中，”Long详细说明。

从烟草开始
研究人员首先在烟草植物上测试了他们的想法，因为改变作物基因很容易，而且从一株植物中可以产生大量的种子。

这些因素使研究人员能够在几个月内从基因转化到现场试验。

一旦这一概念在烟草上得到证实，他们就转向了更复杂的任务——将基因植入粮食作物大豆。今年正在对这些转基因大豆植物进行更多的实地试验，预计将于2023年初得出结果。

Long说:“烟草和大豆这两种完全不同的作物现在都显示出非常可观的产量增长，这表明这种方法具有普遍适用性。”“我们的研究表明，实现产量提高受到环境的强烈影响。确定这一结果在不同环境下的可重复性，并进一步改进以确保增益的环境稳定性是至关重要的。”

De Souza说:“这项工作的主要影响是开辟了道路，表明我们可以利用生物工程进行光合作用，提高产量，以增加主要作物的粮食产量。”“这是一个开始，证实了RIPE项目根深蒂固的理念是提高主要粮食作物产量的成功手段。”

RIPE项目及其赞助者已承诺将该项目的技术提供给全球最需要这些技术的农民，重点是撒哈拉以南非洲地区，这是世界上大豆生产增长最快的地区之一。

大豆创新实验室表示，这种高蛋白食品作物的种植面积和国内需求都在增长。

新作物进展的关键时机
联合国最近的一份报告《2022年世界粮食安全和营养状况》发现，2021年世界人口中有近10%处于饥饿状态，这一状况在过去几年里一直在稳步恶化，在规模上超过了全球健康面临的所有其他威胁。

根据联合国儿童基金会的数据，到2030年，预计将有超过6.6亿人面临粮食短缺和营养不良。造成这种情况的两个主要原因是效率低下食品供应链由于气候变化，农作物的生长条件更加恶劣。

RIPE项目研究科学家、主要作者Amanda De Souza强调说:“受粮食不足影响的人数继续增加，预测清楚地表明，需要改变粮食供应水平，以改变这一轨迹。”

“我们的研究展示了一种有效的方法，可以为最需要粮食安全的人做出贡献，同时避免更多的土地被投入生产。改善光合作用是获得所需的产量潜力飞跃的重要机会。”

利用作物基因组学研究未来粮食
作物基因组学越来越多地被其他农业食品参与者用于紧急应用，如育种高蛋白鹰嘴豆，提高香蕉的抗氧化特性的特定健康状况属性蔓越莓中的多酚。

上个月在美国，研究人员成功地对燕麦的整个基因组进行了测序，这为培育抗旱耐热和高产的新品种提供了机会。

在2021年9月之后，英国宣布将放松基因编辑科学的政策。然而，此举在健康和环境安全方面引发了一些担忧。

本杰明·费雷尔

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