美國《技術評論》2015年十大技術突破之一：加速的光合作用
來源：科技日報 作者：科技日報 發表時間：2015-03-31
技術成熟所需時間：10到15年。
技術突破：借助一種先進的基因工具，糧食作物從太陽光獲取能量的速度將會大幅提升，從而提高糧食產量，給全球更多人提供糧食，讓數十億人免受饑荒的威脅。
重要意義：糧食產量將可以快速增長，從而滿足越來越多人口的需求。
主要參與者：國際水稻研究所的保羅·奎克、美國明尼蘇達大學的丹尼爾·沃伊塔斯、英國劍橋大學的朱利安·希伯德、澳大利亞國立大學的蘇珊·馮·凱莫爾。
去年12月份，由來自8個國家12家研究所的遺傳學家們組成的研究團隊宣布，他們已經在對水稻、玉米和其他能快速生長的雜草進行遺傳修改從而讓其能更高效地利用光合作用方面取得了重大進展。
這個名為C4光合作用的超級過程可以通過捕獲二氧化碳并將其集中在葉子內特定的細胞內，從而加速植物的生長發育，這也是玉米和甘蔗為何產量如此高且生長如此迅速的原因。研究人員解釋道，C4有一個秘密武器：二氧化碳濃縮機制。該機制包括C4代謝物穿梭機制及獨特的花環結構，兩者合作促使C4植物獲得更高的光能利用效率，從而實現增產。
研究者們相信，人類可以幫助水稻“進化”出C4光合作用機制。若C4水稻研發成功，它將減少化肥的使用，比傳統水稻更適應干旱等惡劣環境，重要的是，可以使水稻增產50%。
由國際水稻研究所（IRRl）的保羅·奎克領導的該研究小組將關鍵的C4光合作用基因引入一種水稻植物內，并且證明，其能進行一個加速的光合作用過程。研究人員之一、美國唐納德丹佛植物科學中心的研究院托馬斯·布魯特內爾表示：“這是我們首次在水稻內看見C4循環，非常令人興奮。”
為了獲得加快的光合作用，研究人員需要對植物進行遺傳修改，讓其生產出特定的細胞：一套細胞用于捕獲二氧化碳；而其周圍的另一套細胞則將二氧化碳聚合在一起。然而，科學家們仍然不知道哪些基因與生成這些細胞有關，他們懷疑可能有數十個基因與此相關。
新的遺傳編輯方法使科學家們能精確地對植物的基因組進行修改，這將有助于解決這個問題。布魯特內爾說，要想使用傳統育種方法來操控兩個以上的基因，這簡直是“異想天開”，更不用說對植物的數十個基因進行操控了，而遺傳編輯使得修改大量的基因成為可能。
不過，每名參與C4水稻研究的人都知道，這是一項漫長的工作。澳洲國立大學醫學院環境生物學教授蘇珊娜·凱米爾在《科學》雜志上撰文表示：“我們預期未來三年獲得C4水稻的原型，然而，距離C4水稻走入田間，還需要進行15年的完善。”而且，一旦科學家們解決包括水稻在內的植物的C4謎團，那么，這種方法能被廣泛用于顯著提高包括小麥、西紅柿、土豆、蘋果和大豆等在內的很多其他農作物的產量。
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