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生物技術(shù)突破有望推動新一輪“綠色革命”

發(fā)布時間:2022-08-23 10:01:00來源: 科技日報

  近年來,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)對環(huán)境的影響,幫助人們應對未來的氣候變化,為不斷增長的人口提供更好的營養(yǎng),預示著一場新的“綠色革命”到來。

  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60年代,隨著一系列科學技術(shù)進步的出現(xiàn),糧食產(chǎn)量與日俱增。其中最引人注目的是美國農(nóng)學家諾曼·博洛格成功培育出高產(chǎn)抗病的半矮稈小麥品種,這種小麥使谷物產(chǎn)量增加了一倍多,成為應對世界糧食危機的關(guān)鍵。這項農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣,被稱為“綠色革命”。

  隨后,其他作物育種家在博洛格的基礎(chǔ)上更進一步,提高了其他主要谷物的產(chǎn)量。自1961年以來,全球谷物產(chǎn)量增長了400%,而世界人口增長了260%。博洛格因其成就于1970年獲得諾貝爾和平獎。

  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、耐受干旱以及對抗病蟲害的能力。

  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。但有些肥料會對生態(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)地表會刺激河流、湖泊和沿海地區(qū)中有害藻類的生長。過量的氮肥會被土壤細菌分解,導致大氣中二氧化氮的濃度不斷上升,二氧化氮導致全球變暖的“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),預計到2050年,氮肥的生產(chǎn)將消耗全球能源的2%。

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

  今年7月,中國研究人員在《科學》雜志報告稱,基因OsDREB1C在水稻中猶如一個“分子開關(guān)”,可以顯著提高水稻的光合作用和氮素利用效率。進一步的田間試驗證明,在水稻品種中增強表達這種基因,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。

  氮對植物生長至關(guān)重要,但植物不能直接將空氣中的氮氣轉(zhuǎn)化為它們可以利用的形式?;ㄉ痛蠖沟榷诡愔参镉懈?,可以利用固氮細菌為植物提供氮肥。水稻和小麥等谷物植物則沒有這種能力,必須依靠從土壤中的肥料中吸收無機氮,例如氨和硝酸鹽。

  今年7月,美國加州大學戴維斯分校一組研究人員報告稱,他們成功地對水稻品種進行基因編輯,使其根部適合固氮細菌。因此,當在有限的土壤氮條件下生長時,基因編輯品種的水稻產(chǎn)量會比常規(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)每年可為美國農(nóng)民節(jié)省數(shù)十億美元的化肥成本,同時也有益于環(huán)境。他們相信,這一基因編輯技術(shù)可以應用于其他谷物作物。

  利用動物肥胖基因讓植物“增肥”

  據(jù)美國《理性》雜志報道,來自北京大學、貴州大學以及美國芝加哥大學研究團隊利用動物肥胖基因讓植物“增肥”??茖W家們將動物肥胖基因FTO轉(zhuǎn)入到水稻細胞中,用它來控制基因表達,以提高農(nóng)作物產(chǎn)量。具體來說,就是將FTO基因片段搭載于環(huán)狀DNA,通過根癌農(nóng)桿菌侵染植物細胞。FTO基因在水稻細胞中表達的蛋白,可以擦除RNA甲基化修飾m6A,并且影響相關(guān)RNA功能表達。

  在實驗室條件下,新品種水稻的產(chǎn)量是原來的3倍。田間試驗中植株的質(zhì)量提高了50%,產(chǎn)量也提高了50%。而且作物的根更長,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》雜志在報道中指出,這場由新生物技術(shù)推動的“綠色革命”預示著一個未來——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,減少水污染及溫室氣體排放。

(責編:陳濛濛)

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