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转玉米基因的水稻

发布时间:2019-03-05 19:02:03

今年,杂交水稻之父袁隆平在接受媒体采访时谈到,他正在研究将玉米的碳四基因转移到水稻中。那么,什么是碳四基因?为什么要转到水稻中呢?

众所周知,植物是地球上的生产工厂。它们通过光合作用生产有机物和氧气,维持人和动物的生存和生态圈的平衡。

绿色植物在光合作用时,首先要将空气中的CO2固定在植物体内。大多数物种中,吸收CO2后生成的个有机物是一种含有3个碳原子的糖,因此将这一CO2固定途径称作碳三(C3)途径,这些植物被称作碳三(C3)植物。禾本科中,水稻、小麦都是C3植物。

催化CO2固定的酶叫做Rubisco。Rubisco催化效率低下,是整个反应的限速酶。而且它除了能催化CO2的固定,还可反向催化三碳糖结合氧气,释放CO2。后者类似于呼吸作用,称作光呼吸。光呼吸不但不能增加有机物的产量,反而会损失已生成的同化产物。

为了应对C3途径的缺陷,一些植物进化出了新的CO2固定途径,并发展出与之适应的形态特征。它们的维管束周围的细胞分化成两种:维管束鞘细胞和叶肉细胞。这些细胞整齐地排列成双层环状结构,即所谓的“花环结构”。CO2固定过程发生在叶肉细胞的细胞质中,生成一种含4个碳原子的有机酸——显然这些植物应该叫做碳四(C4)植物,典型的例子如禾本科的玉米。接下来,四碳酸被运送到维管束鞘细胞中,并分解为丙酮酸和CO2。重新释放出的CO2在维管束鞘细胞中进行C3途径。

图1 禾本科三种植物叶片形态结构对比

催化C4植物结合CO2的酶是磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)。得益于其相比Rubisco更高的催化效率,被运送到维管束鞘细胞中的CO2浓度比C3植物更高。如果将C3植物看成一个工厂,生产原料是来自空气的CO2,Rubisco则是一台破旧的生产机器。C4植物创造性地将设计出一个生产原料浓缩泵——PEPC,并放置于类似于生产车间的叶肉细胞中。车间隔壁还是原先那个破机器,但到进入它的CO2比C3工厂的浓度要高十倍。这样,即使机器性能没有改善,生产效率却大为提高。此外,高浓度的CO2削弱了Rubisco的氧化功能,从而可以降低光呼吸。C4植物掌握的这些先进技术提高了同化作用的生产率。

图二 C3与C4植物代谢方式对比

正因为C4植物在同化作用上具有明显优势,人们一直试图将C4基因转移到当今广泛种植的C3主粮中,期望在C3植物中运行C4途径,以提高产量。尽管C3和C4植物在生理、形态和遗传上都具有很大的差异,但实现这一目标还是有希望的。

从遗传的角度来看,C4植物与C3植物间的差异并非不可逾越的天堑。尽管C3植物缺乏很多C4途径的必须酶,但编码一些主要酶的基因均能在现存C3植物中发现,只是编码水平更低。

从演化的角度来看,从C3向C4的演化在被子植物中至少独立发生了45次。这一多源演化现象暗示C3向C4转变可能相当简单。已经观察到C4光合作用的生化特征存在于一些C3植物的细胞类型中,而C3植物的细胞分化模式也在一些C4植物组织中发现。有些植物甚至可以在C3和C4光合作用间自由变换。

在所有C4农作物中,C4途径和花环结构密不可分。实际上,代谢方式虽然依赖于形态结构,但也可以反过来影响形态结构。举个例子,修改C3途径的某些成分,可以引起叶片结构的变化。一些特殊代谢物还可类似信号分子,从而改变叶片发育进程。因此有这个可能性,即改造C3植物的叶片,使之具有花环结构。此外,有些单细胞藻类的C4途径及后续代谢过程仅在一个细胞就能够完成。这个系统相对更简单,可能在转基因育种上相比改造C3植物的结构更具操作性。

在上个世纪,全球范围内发生过两次“绿色革命”。次绿色革命是矮化育种技术,它成功地降低了作物的茎秆高度,并大大提高了产量。

转玉米基因的水稻

第二次绿色革命是杂交育种技术,以我国袁隆平院士开发的杂交水稻为代表。杂交育种使作物在矮化的基础上,产量又有了突破性的增长。但是,自第二次绿色革命以来,作物的产量增加已经达到了瓶颈。

C3植物的辐射利用率与C4植物相差50%。相比C3作物,C4作物产量更高,失水更少,氮素利用率更高。通过转基因的方式,将玉米的C4途径装入水稻中,以突破传统技术瓶颈,是个很有前景的想法。而且玉米与水稻同为禾本科植物,二者皆是当前种植广泛的主粮。转玉米的碳四基因到水稻中没有安全性方面的争议,不会受到民众的抵触。

如今,来自世界各地的研究人员正在努力实现这一雄心勃勃的计划。目前已经确定了水稻中运行C4途径所需要的基因,下一步目标是培养出株C4植株。在2012年,由国际水稻研究所(IRRI)主导的C4水稻项目得到了英国政府和比尔 琳达•盖茨基金会(BMGF)的支持,并收到1400万美元的资金以开展随后三年的研究工作。

前途是光明的,道路是曲折的。我们相信如果这一研究如果取得了成果,完全可称得上是第三次绿色革命。我国农学家、杂交水稻之父袁隆平院士在第二次绿色革命中便处于领导地位,如今他又以耄耋之年,积极投入到第三次绿色革命工作中来。这不仅是我国的福音,更是全球的福音。

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