新闻资讯 · 2022年 8月 9日 0

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降低化肥使用,提升作物产量,生物技术突破有望推动新一轮“绿色革命”|科技创新世界潮

科学家利用动物肥胖基因FTO给植物“增肥”。图片来源:美国《理性》杂志网站

科技日报记者 刘霞

近年来,一系列农作物生物技术取得突破,这些技术有望提高农作物产量,降低农业对环境的影响,帮助人们应对未来的气候变化,为不断增长的人口提供更好的营养,预示着一场新的“绿色革命”到来。

高产新小麦品种催生第一次“绿色革命”

第一次“绿色革命”出现于20世纪60年代,随着一系列科学技术进步的出现,粮食产量与日俱增。其中最引人注目的是美国农学家诺曼·博洛格成功培育出高产抗病的半矮秆小麦品种,这种小麦使谷物产量增加了一倍多,成为应对世界粮食危机的关键。这项农业技术的推广,被称为“绿色革命”。

随后,其他作物育种家在博洛格的基础上更进一步,提高了其他主要谷物的产量。自1961年以来,全球谷物产量增长了400%,而世界人口增长了260%。博洛格因其成就于1970年获得诺贝尔和平奖。

博洛格历经20年艰巨的杂交工作培育出高产抗病的小麦品种。今天,作物育种家正在现代生物技术工具的加持下,显著提高作物产量、耐受干旱以及对抗病虫害的能力。

新技术大幅减少氮肥使用量

在第一次“绿色革命”时期,农作物需要增加化肥施用量才能获得更高的产量。但有些肥料会对生态环境产生不利影响。

例如,农作物未吸收的氮和其他肥料流经地表会刺激河流、湖泊和沿海地区中有害藻类的生长。过量的氮肥会被土壤细菌分解,导致大气中二氧化氮的浓度不断上升,二氧化氮导致全球变暖的“威力”是二氧化碳的300倍。此外,利用大气氮生产工业氨是能源密集型产业,预计到2050年,氮肥的生产将消耗全球能源的2%。

好消息是,两个现代植物育种团队取得重大突破,将大幅减少农作物生产所需的氮肥量。

今年7月,中国研究人员在《科学》杂志报告称,基因OsDREB1C在水稻中犹如一个“分子开关”,可以显著提高水稻的光合作用和氮素利用效率。进一步的田间试验证明,在水稻品种中增强表达这种基因,可使水稻产量提高30%以上,氮素利用效率提高25%以上。而且,本次发现的关键基因不只限于水稻内,还广泛存在于玉米、小麦等作物基因组中。

氮对植物生长至关重要,但植物不能直接将空气中的氮气转化为它们可以利用的形式。花生和大豆等豆类植物有根瘤,可以利用固氮细菌为植物提供氮肥。水稻和小麦等谷物植物则没有这种能力,必须依靠从土壤中的肥料中吸收无机氮,例如氨和硝酸盐。

今年7月,美国加州大学戴维斯分校一组研究人员报告称,他们成功地对水稻品种进行基因编辑,使其根部适合固氮细菌。因此,当在有限的土壤氮条件下生长时,基因编辑品种的水稻产量会比常规品种高20%至35%。相关研究刊发于《植物生物技术杂志》。

研究人员表示,这一发现每年可为美国农民节省数十亿美元的化肥成本,同时也有益于环境。他们相信,这一基因编辑技术可以应用于其他谷物作物。

利用动物肥胖基因让植物“增肥”

据美国《理性》杂志报道,来自北京大学、贵州大学以及美国芝加哥大学研究团队利用动物肥胖基因让植物“增肥”。科学家们将动物肥胖基因FTO转入到水稻细胞中,用它来控制基因表达,以提高农作物产量。具体来说,就是将FTO基因片段搭载于环状DNA,通过根癌农杆菌侵染植物细胞。FTO基因在水稻细胞中表达的蛋白,可以擦除RNA甲基化修饰m6A,并且影响相关RNA功能表达。

在实验室条件下,新品种水稻的产量是原来的3倍。田间试验中植株的质量提高了50%,产量也提高了50%。而且作物的根更长,光合作用更有效,能够更好地抵御干旱的压力。

重要的是,这项技术在水稻和马铃薯植株上取得了相似的结果,而这两种作物并不特别密切相关。这表明,这一基因可以在广泛的植物中发挥作用,相关研究刊发于《自然·生物技术》杂志。

《理性》杂志在报道中指出,这场由新生物技术推动的“绿色革命”预示着一个未来——使用更少的肥料提升农作物产量,最终获得更多粮食,这有助农田恢复,减少水污染及温室气体排放。