超级光合作用植物

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方陵生

在澳大利亚昆士兰州的艾尔镇附近，一块土地上种植着一些不同寻常的作物。这些稍带银白色的青绿色植物，长长的肉质叶子向外展开，就像有着大量绷锯齿的刀片，这就是龙舌兰。

龙舌兰是制作烈酒龙舌兰酒所必需的原料，这也是它们最为著名的用途。与澳大利亚太平洋沿岸相比，种植龙舌兰在墨西哥更为普遍。然而，对科学家来说，龙舌兰对于人类的意义非同寻常，由于这种超级植物（具有超强光合作用的植物）是即将到来的全球能源革命的一部分。

龙舌兰的确非同寻常，即使在地球上最枯燥缺水的地方，它们也能正常进行光合作用。这就使科学家们联想到了地球的粮食供给。随着气候变暖，地球上的粮食供给开始受到要挟，科学家开始竞相研究龙舌兰。期望能够驾驭龙舌兰所具有的那种神秘力量。那么，龙舌兰这种超级植物，到底具有什么能耐，又可能给我们带来什么样的惊喜呢？龙舌兰是制作烈酒龙舌兰酒所必需的原料。但对科学家来说，龙舌兰对于人类的意义非同寻常

普通植物的光合作用效率令人失望

地球上的植物在为人类提供食物、燃料、建筑材料和自然美景的同时，还封存了大量的二氧化碳，否则。地球这个恒温器的温度会变得更高。人类的生存一直在依靠并将继续依靠植物的光合作用。光合作用是一种十分巧妙的自然现象。植物通过捕获阳光伯能量，将二氧化碳和水转化为糖和氧，从而将能量储存起来，为滋养我们提供所需。然而，尽管植物光合作用经过了20亿年漫长的演化历程，但我们必需承认：植物完成了一个奇迹，却没有做得很好。彗通植物将太阳能转化为生物质的效率最高仅为4.6%，这样的效率实在有点令人失望。普通植物多采用碳3光合作用的方式

为此，科学家希望通过摸索龙舌兰等植物超强光合作用的机要，来开发和利用龙舌兰的这种强大而神秘的光合作用能力，从而为人类创立一个更加绿色环保、更清洁、更安全的未来。塔恩等科学家就是在做这项工作。碳4水稻之梦

普通植物的这种低效率的光合作用，被称为“碳3光合作用〞，地球上90%的植物（包括小麦、水稻和大豆等）都是碳3植物。只有约4%的植物物种采用的是碳4光合作用，但它们却占陆地生物量的23%。碳4植物包括一些主要的食用植物如玉米、甘蔗，以及众多动物性食物所需要的牧草。全球变暖将导致养活全人类的压力增大，粮食危机形势严峻。即使21世纪全球变暖操纵在了预期的范围内，小麦、水稻和大豆等碳3作物的产量还是可能会下降6%～15%。这就促使一些科学家产生了要制造更多碳4植物这种高效光合作用植物的想法。这些科学家在想：是否可以通过基因工程促成碳3植物采用碳4植物的光合作用？碳4水稻工程将世界一半人口的主食转化为碳4作物

碳4水稻工程是2022年启动的一项国际性大工程，旨在通过这一研究取得的成功将世界一半人口的主食转化为碳4作物。碳3水稻缺乏碳4植物所特有的叶片结构，因此需要通过插入20或30个新基因对其结构进行重新设计。有科学家认为，这是目前合成生物学和基因组工程领域最大的工程。

2022年，研究人员宣布，已经培育出了一种碳4水稻品种样本，该改良品种拥有那些重要的细胞间通道，植物叶绿体也更大。预计，到2030年，碳4水稻将进行大田试验。研究人员表示，我们可能得不到完美的碳4水稻，但我们会得到产量更高的碳3品种。与此同时，另一些研究人员已经在大气二氧化碳浓度较高的环境中种植了水稻，以获得碳4水稻的相关数据。试验数据说明，这些作物的产量将比传统作物高出50%。光合作用的三种类型

碳4水稻工程曙光初现，但还远远不够。随着气候变化，我们不仅需要粮食作物更高效，我们还需要粮食作物能够适应更严酷的环境条件。科学家认为，在全球气候危机背景下，水将成为限制农业发展的因素。据预计，未来一个世纪里，干旱将肆虐大量半干旱地区，预计45%的土地将发生更频繁、更严重和更持久的千旱。假如太过干旱导致粮食作物无法生长，那么，加强版光合作用水稻也无济于事。景天酸代谢植物

然而，大自然还有一种机要武器——大约7%的植物采用的是第三种光合作用，这些植物被称为景天酸代谢（以下简称CAM）植物。CAM植物包括菠萝、芦荟和香草，昆士兰的锯齿叶银龙舌兰也是其中之一。大自然還有一种机要武器，大约7%的植物采用的是第三种光台作用：CAM

与碳4光合作用一样，CAM植物可预浓缩二氧化碳以提高鲁比斯科酶的效率。但有所不同的是，碳4植物是从物理上将光合作用分成两部分，而CAM植物则是从时间间隔上将光合作用分开成两部分。与大多数植物不同的是，CAM植物只有在清凉的夜晚才会开启气孔来捕获二氧化碳。当太阳升起时。植物气孔就会关闭以防止水分流失，此时植物只利用储存的二氧化碳进行光合作用。正由于它们的这些适应性变化，和耐旱的碳3植物及碳4植物一样，CAM植物只需要20%的水就能够满足生长需要。随着全球变暖。水的短缺将成为限制农业发展的重要因素，而不需要太多水的碳4和CAM植物亦将是满足未来粮食需求的希望所在。

龙舌兰的种植越来越普遍，并且有了大量不同寻常的用途。例如，塔恩的种植园正在做用龙舌兰来生产生物燃料的试验。在世界大量地区。生物燃料已经被用来作为汽油的补充，越来越多地被视为液体化石燃料的可替代品。但由于种植生物燃料需要大量的土地、水和其他资源，其功过利弊也存在争议。

塔恩和他的同事最近发表了第一份关于龙舌兰—生物乙醇生长周期的综合评估报告，并对温室气体排放、水消耗和环境污染等问题进行了研究。他们发现，与从玉米中提取乙醇相比，从龙舌兰植物中摄取生物乙醇对全球变暖的影响要低60%，比从甘蔗中摄取乙醇要低30%。另外，由于在澳大利亚种植龙舌兰没有本地害虫，所以既不需要浇灌，也不需要杀虫剂。龙舌兰等作物，它高大的青绿色叶子将成为地球上更加常见和亮丽的一道风景线

库什曼的研究小组正在进行的是一个种植仙人掌果的工程。仙人掌果用途广泛，可用于食品、动物饲料、生物乙醇和沼气。仙人掌果原产于美洲，可在温度基本保持在零度以上的任何地方茁壮成长。这意味着地球上1/5不适合种植其他作物的土地都可以用来种植这种仙人掌果。在内华达州的大田试验说明，1公顷的仙人掌果每年可产生多达44吨的生物量。与玉米和甘蔗的产量相当。巴西和突尼斯都在大量峡谷地带种植了仙人掌果，当地的科学家们观测到，由这种仙人掌组成的树篱可以防止水土流失，提高土壤中的氮含量。

人们寻常认为，CAM植物生长缓慢，其实这是对它们的误会。像玉米和大豆这样的一年生作物生长迅速，但一年只有一个生长季节，寻常需要4～6个月的生长期;而大多数CAM植物是多年生植物，可以连续生长数年，因此一些CAM作物同样也能够高产。未来的超级作物

一些科学家想知道，是否可以利用CAM作物开展一些与碳4水稻工程类似的工程。碳4水稻工程的目的是将碳3和CAM作物的特性结合起来，产生一种终极超级作物。过去的5年里，科学家们已经对几种CAM植物的基因组进行了测序，但是要获得最终的成功，还有很长的路要走。虽然我们已经大致了解了CAM光合作用的路径，但具体的运作方式，譬如随时间波动、酶的调理