每日观察!生物技术突破有望推动新一轮“绿色革命”

• 2022-08-23 15:46:28 来源：​科技日报

本报记者刘霞

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。

中美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

(资料图片仅供参考)

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。

标签： 绿色革命 生物技术 研究人员

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