降低化肥使用提升作物產(chǎn)量 生物技術(shù)突破有望推動(dòng)新一輪“綠色革命”

近年來(lái)，一系列農(nóng)作物生物技術(shù)取得突破，這些技術(shù)有望提高農(nóng)作物產(chǎn)量，降低農(nóng)業(yè)對(duì)環(huán)境的影響，幫助人們應(yīng)對(duì)未來(lái)的氣候變化，為不斷增長(zhǎng)的人口提供更好的營(yíng)養(yǎng)，預(yù)示著一場(chǎng)新的“綠色革命”到來(lái)。

高產(chǎn)新小麥品種催生第一次“綠色革命”

第一次“綠色革命”出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，隨著一系列科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的出現(xiàn)，糧食產(chǎn)量與日俱增。其中最引人注目的是美國(guó)農(nóng)學(xué)家諾曼·博洛格成功培育出高產(chǎn)抗病的半矮稈小麥品種，這種小麥?zhǔn)构任锂a(chǎn)量增加了一倍多，成為應(yīng)對(duì)世界糧食危機(jī)的關(guān)鍵。這項(xiàng)農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣，被稱(chēng)為“綠色革命”。

隨后，其他作物育種家在博洛格的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，提高了其他主要谷物的產(chǎn)量。自1961年以來(lái)，全球谷物產(chǎn)量增長(zhǎng)了400%，而世界人口增長(zhǎng)了260%。博洛格因其成就于1970年獲得諾貝爾和平獎(jiǎng)。

博洛格歷經(jīng)20年艱巨的雜交工作培育出高產(chǎn)抗病的小麥品種。今天，作物育種家正在現(xiàn)代生物技術(shù)工具的加持下，顯著提高作物產(chǎn)量、耐受干旱以及對(duì)抗病蟲(chóng)害的能力。

新技術(shù)大幅減少氮肥使用量

在第一次“綠色革命”時(shí)期，農(nóng)作物需要增加化肥施用量才能獲得更高的產(chǎn)量。但有些肥料會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

例如，農(nóng)作物未吸收的氮和其他肥料流經(jīng)地表會(huì)刺激河流、湖泊和沿海地區(qū)中有害藻類(lèi)的生長(zhǎng)。過(guò)量的氮肥會(huì)被土壤細(xì)菌分解，導(dǎo)致大氣中二氧化氮的濃度不斷上升，二氧化氮導(dǎo)致全球變暖的“威力”是二氧化碳的300倍。此外，利用大氣氮生產(chǎn)工業(yè)氨是能源密集型產(chǎn)業(yè)，預(yù)計(jì)到2050年，氮肥的生產(chǎn)將消耗全球能源的2%。

好消息是，兩個(gè)現(xiàn)代植物育種團(tuán)隊(duì)取得重大突破，將大幅減少農(nóng)作物生產(chǎn)所需的氮肥量。

今年7月，中國(guó)研究人員在《科學(xué)》雜志報(bào)告稱(chēng)，基因OsDREB1C在水稻中猶如一個(gè)“分子開(kāi)關(guān)”，可以顯著提高水稻的光合作用和氮素利用效率。進(jìn)一步的田間試驗(yàn)證明，在水稻品種中增強(qiáng)表達(dá)這種基因，可使水稻產(chǎn)量提高30%以上，氮素利用效率提高25%以上。而且，本次發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵基因不只限于水稻內(nèi)，還廣泛存在于玉米、小麥等作物基因組中。

氮對(duì)植物生長(zhǎng)至關(guān)重要，但植物不能直接將空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為它們可以利用的形式。花生和大豆等豆類(lèi)植物有根瘤，可以利用固氮細(xì)菌為植物提供氮肥。水稻和小麥等谷物植物則沒(méi)有這種能力，必須依靠從土壤中的肥料中吸收無(wú)機(jī)氮，例如氨和硝酸鹽。

今年7月，美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校一組研究人員報(bào)告稱(chēng)，他們成功地對(duì)水稻品種進(jìn)行基因編輯，使其根部適合固氮細(xì)菌。因此，當(dāng)在有限的土壤氮條件下生長(zhǎng)時(shí)，基因編輯品種的水稻產(chǎn)量會(huì)比常規(guī)品種高20%至35%。相關(guān)研究刊發(fā)于《植物生物技術(shù)雜志》。

研究人員表示，這一發(fā)現(xiàn)每年可為美國(guó)農(nóng)民節(jié)省數(shù)十億美元的化肥成本，同時(shí)也有益于環(huán)境。他們相信，這一基因編輯技術(shù)可以應(yīng)用于其他谷物作物。

利用動(dòng)物肥胖基因讓植物“增肥”

據(jù)美國(guó)《理性》雜志報(bào)道，來(lái)自北京大學(xué)、貴州大學(xué)以及美國(guó)芝加哥大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用動(dòng)物肥胖基因讓植物“增肥”。科學(xué)家們將動(dòng)物肥胖基因FTO轉(zhuǎn)入到水稻細(xì)胞中，用它來(lái)控制基因表達(dá)，以提高農(nóng)作物產(chǎn)量。具體來(lái)說(shuō)，就是將FTO基因片段搭載于環(huán)狀DNA，通過(guò)根癌農(nóng)桿菌侵染植物細(xì)胞。FTO基因在水稻細(xì)胞中表達(dá)的蛋白，可以擦除RNA甲基化修飾m6A，并且影響相關(guān)RNA功能表達(dá)。

在實(shí)驗(yàn)室條件下，新品種水稻的產(chǎn)量是原來(lái)的3倍。田間試驗(yàn)中植株的質(zhì)量提高了50%，產(chǎn)量也提高了50%。而且作物的根更長(zhǎng)，光合作用更有效，能夠更好地抵御干旱的壓力。

重要的是，這項(xiàng)技術(shù)在水稻和馬鈴薯植株上取得了相似的結(jié)果，而這兩種作物并不特別密切相關(guān)。這表明，這一基因可以在廣泛的植物中發(fā)揮作用，相關(guān)研究刊發(fā)于《自然·生物技術(shù)》雜志。

《理性》雜志在報(bào)道中指出，這場(chǎng)由新生物技術(shù)推動(dòng)的“綠色革命”預(yù)示著一個(gè)未來(lái)——使用更少的肥料提升農(nóng)作物產(chǎn)量，最終獲得更多糧食，這有助農(nóng)田恢復(fù)，減少水污染及溫室氣體排放。(科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞)

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