报告称,到2050年,光合作用的骇客需要养活全世界

 时间:2021-01-26 04:52:46  来源:

研究人员在细胞杂志上报告说,利用高性能计算和基因工程来提高植物的光合作用效率,最大的希望就是增加作物的产量,足以养活到2050年将有95亿人口的星球。

伊利诺伊大学植物生物学教授史蒂芬·P·朗(Stephen P. Long)说,再没有比这更好的时机了。他与伊利诺伊州和上海的CAS-MPG合作伙伴计算生物学研究所的同事共同撰写了这份报告。

朗说:“我们现在知道驱动C3作物植物(如大豆)和C4植物(如玉米)光合作用的过程的每一步。”“我们拥有空前的计算资源,可让我们对光合作用的每个阶段进行建模并确定瓶颈在哪里,而基因工程的进步将帮助我们扩大或规避那些阻碍效率的步骤。”

龙说,光合作用的实验室和计算机模型已经取得了实质性进展。

他说:“我们的实验室和其他实验室已经将蓝细菌的基因导入了作物,并发现该基因将光合速率提高了30%。”

研究人员报告说,光合微生物为改善植物的光合作用提供了其他线索。例如,某些细菌和藻类所含的色素比植物色素利用的太阳光谱更多。如果添加到植物中,这些颜料可以增强植物获得太阳能的能力。

Long说,一些科学家试图在C3植物中工程化C4的光合作用,但这意味着改变植物的解剖结构,改变许多基因的表达,并从C4植物中插入新的基因。

他说:“另一种可能更简单的方法是将蓝绿藻所使用的系统添加到C3叶绿体中。”这将增加Rubisco的活性,Rubisco是一种酶,催化大气中二氧化碳转化为植物生物质的重要步骤。Long说,计算机模型表明,添加该系统将使光合作用提高多达60%。

对植物叶片拦截阳光的方式的计算机分析揭示了其他改善光合作用的方式。许多植物在最上面的叶子中拦截的光线太多,而在下面的叶子中拦截的光线太少。朗说,这可能使他们比邻居更具竞争优势,但在农民的领域,这种竞争适得其反。

由美国植物生物学教授唐纳德·奥尔特(Donald Ort)领导的研究旨在使植物的上部叶子更轻,从而使更多的阳光穿透到挨饿的下部叶子。光合作用的计算机建模还向研究人员显示了交通堵塞发生的位置,这些步骤减慢了过程并降低了效率。

朗格说:“计算机模型预测,通过上调某些基因而下调其他基因来改变该系统,无需任何额外资源即可实现60%的改善-因此无需更多的氮就可以吸收60%的碳。” 。

报告的合著者之一的I.植物生物学教授Amy Marshall-Colon说,下一步是创建一种计算机植物,以虚拟模拟生物尺度之间惊人的复杂相互作用。“这种模型对于填补当前的知识空白并更好地指导我们的工程工作至关重要。”

朗说,尽管为设计更好地将太阳能转化为生物质的植物而设计的植物仍然存在许多科学,政治和法规方面的障碍,但现在应该着手进行这项工作。

他说:“如果我们今天取得成功,它最早将在15年内不会出现在农民的领域。”“我们今天必须要做的是30年后可能需要做的事情。”

 

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