概述
同樣在農(nóng)田里沐浴陽(yáng)光，玉米、高粱轉(zhuǎn)化光能的效率為何就比水稻、小麥高出一大截？原來(lái)，它們采用的光合作用模式不同！如果讓水稻像玉米那樣利用陽(yáng)光，不就能生產(chǎn)更多糧食了嗎？
水稻是世界上最重要的糧食作物之一，全球約有一半以上的人口以水稻為主食。通過(guò)提高作物光合作用效率達(dá)到增產(chǎn)目的并兼顧品質(zhì)安全，將是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的課題。中美兩大科研機(jī)構(gòu)之間的合作將為破解世界性科學(xué)難題邁出重要一步。
玉米和水稻采用兩種不同的光合作用模式：玉米用的是效率較高的“碳四模式”（C4），光能轉(zhuǎn)化效率的理論最大值可達(dá)6%；而水稻用的“碳三模式”（C3）只有4.6%，效率較低。
4.6%和6%的差距，在植物生長(zhǎng)上會(huì)產(chǎn)生多大影響？且看一組來(lái)自國(guó)際水稻研究所的數(shù)據(jù)：在同一產(chǎn)地、同樣耕種條件下，同時(shí)播種的玉米與水稻，一公頃玉米產(chǎn)生的生物量干重為13.9噸，而水稻只有8.3噸。
提高生物量干重是提高產(chǎn)量的重要途徑，因此盡管在農(nóng)田中實(shí)現(xiàn)的光能轉(zhuǎn)化效率只有理論最大值的1/3左右，但若能讓水稻放棄低效的C3模式、改用高效的C4模式，產(chǎn)量肯定會(huì)“飛躍”。
讓水稻接受玉米的光合作用模式？科學(xué)家認(rèn)為，這是一次新的“綠色革命”；但“革命”的難度極大、挑戰(zhàn)性極高，所以有人稱(chēng)之為“生物研究的登月計(jì)劃”。
“C4水稻”激起了各國(guó)科學(xué)家的強(qiáng)烈興趣。去年4月，蓋茨基金會(huì)決定投資，為期15年，前3年預(yù)研階段投入1100萬(wàn)美元。由國(guó)際水稻研究所主持的這項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃，有英國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、加拿大、澳大利亞和中國(guó)等國(guó)的科學(xué)家參加，組成了4個(gè)研究組：遺傳篩選組、分子生理組、分子工程組、生物信息與系統(tǒng)生物學(xué)組，中科院上海生命科學(xué)院計(jì)算生物學(xué)研究所研究員朱新廣擔(dān)任生物信息與系統(tǒng)生物學(xué)組的負(fù)責(zé)人。
“電子水稻”先探路
要讓水稻改用C4模式，首先要搞清兩種光合作用模式的作用與分化機(jī)理。先期研究發(fā)現(xiàn)，所有植物吸收二氧化碳都離不開(kāi)一個(gè)酶RUBISCO，可它“生性懶惰”，工作效率十分低下。在光合作用系統(tǒng)中，C4植物比C3植物多了一套“設(shè)備”，這套“設(shè)備”能將二氧化碳分子富集到RUBISCO周?chē)?，促使它?zhuān)心于二氧化碳固定，從而提高工作績(jī)效。研發(fā)“C4水稻”的最終目標(biāo)，就是要將這套“設(shè)備”搬運(yùn)到水稻中，并讓它有效運(yùn)轉(zhuǎn)。
在這項(xiàng)難度堪比登月的“搬運(yùn)工程”中，我國(guó)生命科學(xué)家將擔(dān)負(fù)總體設(shè)計(jì)的重任——通過(guò)“電子植物”的模擬，設(shè)計(jì)出可行的“搬運(yùn)”方案。
這項(xiàng)任務(wù)的負(fù)責(zé)人朱新廣告訴記者，在已有的研究基礎(chǔ)上，他們正在建立C3和C4光合作用的系統(tǒng)模型，用以模擬光合作用過(guò)程，并探索實(shí)現(xiàn)從C3到C4轉(zhuǎn)變的階段和步驟?！癈4光合作用牽涉到幾十個(gè)酶，還必須有很多負(fù)責(zé)調(diào)控和轉(zhuǎn)運(yùn)的蛋白質(zhì)，另外葉片顯微結(jié)構(gòu)也有所不同?！彼忉屨f(shuō)，這就像搬遷一個(gè)工廠(chǎng)，光把所有機(jī)器搬過(guò)去不夠，一定要營(yíng)造合適的運(yùn)行環(huán)境、建立規(guī)章制度，才能將機(jī)器正確連接、開(kāi)動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，才能發(fā)揮作用——系統(tǒng)模型與“電子植物”將幫助科學(xué)家探尋改造水稻的途徑，并指導(dǎo)改造過(guò)程。
狗尾巴草來(lái)助陣
去年，“C4工程研究中心”成立，它由上海生命科學(xué)院旗下的7個(gè)實(shí)驗(yàn)室參與協(xié)同。目前“中心”的主要工作是建立系統(tǒng)模型，同時(shí)鑒定C4光合作用分化過(guò)程中的重要調(diào)控分子，進(jìn)而在模式生物上作驗(yàn)證。
為了這項(xiàng)計(jì)劃，科學(xué)家通過(guò)國(guó)際合作，確定了一種新的模式植物——青狐尾草，俗稱(chēng)狗尾巴草。別看名字不雅，它其實(shí)有很多優(yōu)點(diǎn)：生長(zhǎng)周期僅6周左右，適合做大批遺傳篩選……如今它的基因序列尚在測(cè)序，未來(lái)它將為“C4水稻”的研究立下赫赫戰(zhàn)功。
“實(shí)現(xiàn)目標(biāo)雖然困難，卻并非不可能?！敝煨聫V說(shuō)，在自然界中，這兩種光合作用的模式經(jīng)常并存于同一種植物里，比如玉米雖屬C4植物，它的苞葉卻用C3模式進(jìn)行光合作用?？吹健癈4水稻”對(duì)將來(lái)農(nóng)業(yè)的重要影響，世界多國(guó)都開(kāi)始醞釀并啟動(dòng)相關(guān)研究，力爭(zhēng)將來(lái)在這個(gè)領(lǐng)域獲得更多主動(dòng)權(quán)和發(fā)言權(quán)——朱新廣為此希望更多的中國(guó)科學(xué)家加入研究。
