莊稼綠色革命

過去上百年，人類通過傳統(tǒng)育種、轉(zhuǎn)基因技術(shù)、施用化肥，已經(jīng)將提高糧食產(chǎn)量的潛力挖掘得差不多了。葉片直立、矮桿、對化肥作用更敏感，作為世界主要糧食作物的水稻還要如何“修飾”，才能不斷滿足人類對于糧食的需求?科學(xué)家需要另辟蹊徑，他們將目光轉(zhuǎn)向了獲取能量初始的原點(diǎn)光合作用。

同樣在農(nóng)田里沐浴陽光，玉米、高粱轉(zhuǎn)化光能的效率為何比水稻、小麥高出一大截，原來，它們采用的光合作用模式不同!玉米和水稻采用的是兩種不同的光合作用模式玉米用的是效率較高的“碳四模式”(C4)，光能轉(zhuǎn)化效率的理論最大值可達(dá)6％：而水稻用的“碳三模式”(C3)，只有4.6％，效率較低。如果讓水稻像玉米那樣利用陽光，不就能生產(chǎn)更多糧食了嗎?沒錯，全球科學(xué)家已開始為實現(xiàn)這一“綠色夢想”而努力，一項名為“C4水稻”的國際合作研究計劃已于2009年啟動。

叫水稻學(xué)習(xí)玉米

4.6％和6％的差距，在植物生長上會產(chǎn)生多大影響?且看一組來自國際水稻研究所的數(shù)據(jù)：在同一產(chǎn)地、同樣耕種條件下，同時播種的玉米與水稻，一公頃玉米產(chǎn)生的生物量干重為13.9噸，而水稻只有8.3噸。盡管在農(nóng)田中實際的光能轉(zhuǎn)化效率只有理論最大值的1/3左右，但若能讓水稻放棄低效的C3模式，改用高效的C4模式，產(chǎn)量肯定會“飛躍”!而且，C3植物在高溫、強(qiáng)光下容易產(chǎn)生光抑制，光合作用減弱。而C4植物不僅光合效率高，且在強(qiáng)光、高溫、低溫等逆境條件下有較好的防御反應(yīng)，依舊保持高效工作。讓水稻接受玉米的光合作用模式?科學(xué)家認(rèn)為，這是一次新的“綠色革命”，但“革命”的難度極大、挑戰(zhàn)性極高。

要讓水稻改用C4模式，首先要搞清兩種光合作用模式的作用與分化機(jī)理。先期研究發(fā)現(xiàn)，所有植物吸收二氧化碳都離不開核酮糖-1.5二磷酸羧化酶(加氧酶)?？杉友趺腹ぷ髌饋碛行懊院?，經(jīng)常將二氧化碳和氧氣混為一談。在光合作用中，只有送入的二氧化碳參與反應(yīng)，顯然，它固定氧分子的工作都是在自費(fèi)勁。

C3模式植物，如水稻、小麥等，利用一個五碳有機(jī)分子在加氧酶的作用下，固定一個二氧化碳分子，生成2個三碳有機(jī)小分子。而C4植物，如玉米、高粱等，則在光合作用系統(tǒng)中，比C3植物多了一套“設(shè)備”，這套“設(shè)備”將二氧化碳分子宮集到加氧酶周圍，促使它專心于二氧化碳固定，從而提高工作效率。研發(fā)“C4水稻”的最終目標(biāo)，就是要將這套“設(shè)備”搬到水稻中，并讓它有效運(yùn)轉(zhuǎn)。但搬運(yùn)一個“生物工廠”，談何容易!

人們熟悉的這些糧食作物，無不經(jīng)過了成千上萬年的進(jìn)化，它們已高度適應(yīng)了祖先所選擇的光合作用模式?，F(xiàn)在要讓它們接受另一套，它們愿意嗎?有可能嗎?實現(xiàn)目標(biāo)雖然困難，卻并非不可能。研究發(fā)現(xiàn)，在自然界中，這兩種光合作用的模式經(jīng)常并存于同一種植物里，比如，玉米雖屬C4植物，它的苞葉卻用C3模式進(jìn)行光合作用。另有一種植物，在正常。情況下采用C4模式光合作用，而在被水淹沒時，會改用C3模式。這都說明兩種光合作用模式之間，存在某種轉(zhuǎn)換的可能。而科學(xué)家要做的就是找到這些“開關(guān)”，能對其精確操控。不過，這項工程的難度太大!當(dāng)科學(xué)家嘗試剖析光合作用這個“大工廠”時，發(fā)現(xiàn)面對的是一個龐大、分工合作極其精密的生產(chǎn)過程。C4模式的這套“設(shè)備”會涉及到哪些“機(jī)器”?植物通過哪些基因產(chǎn)生這些“機(jī)器”，并將其組裝到恰當(dāng)?shù)牡胤?植物又通過哪些蛋白質(zhì)、RNA來“操作”這些“機(jī)器”，使它保持良好的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)?這將牽涉到成百上千個基因、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子，以及它們所組成的一個復(fù)雜而精細(xì)的網(wǎng)絡(luò)。

農(nóng)場植物工廠化

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)基于太陽光照與土壤基質(zhì)而自然生產(chǎn)，那么，是不是可以用人工光照代替太陽光，以水代替土壤介質(zhì)而開創(chuàng)出新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式呢?未來，建立基于人工光照及環(huán)控技術(shù)的植物工廠將逐步普及。植物在人工模擬環(huán)境培育下，可以排除自然環(huán)境的不利因素，能更好地生長。植物在人工光照的植物工廠中生長，能遏制一切不利生長的環(huán)境因子，得以快速持續(xù)地生長。葉萊類的生長，可以持續(xù)增重至收獲。西紅柿類只要確保根系的生長持續(xù)，就可以永遠(yuǎn)不受限制地生長，培養(yǎng)出無限生長的巨型植物。

通過精準(zhǔn)的環(huán)境模擬，光合作用得以最有效地進(jìn)行，生理代謝合成變得旺盛而健全，培育出的蔬果營養(yǎng)價值更高，品質(zhì)更佳，維生素A與C的含量與傳統(tǒng)種植相比，也同樣得以數(shù)倍地提高。植物工廠都由計算機(jī)控制，管理者只需敲擊鍵盤就能指揮生產(chǎn)。對于各種不同的植物，管理者只需輕松調(diào)動相關(guān)植物的最佳生長模式，就可進(jìn)行最優(yōu)化的生產(chǎn)管理，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“傻瓜化”。此外，植物工廠里還會安裝上植物生理傳感器，實現(xiàn)植物生長過程中各項生理指標(biāo)的在線檢測，以實現(xiàn)環(huán)境因子的最科學(xué)化控制，也就是可以按發(fā)育所需來命令控制各項環(huán)境因子，如光合效率、呼吸作用、蒸騰系數(shù)、果實膨脹等。而隨著智能機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，在朱來植物工廠中，機(jī)器人將被廣泛采用，如種苗的嫁接插苗與果實的采收等，都開始利用機(jī)器人來完成。另外，經(jīng)過多年的實驗，專家們發(fā)現(xiàn)，只要控制了光線和二氧化碳，就可以操縱植物抗氧化物的生成水平。在較惡劣的環(huán)境下，綠色植物會生成一些化合物，比如類胡蘿卜素和類黃酮，保護(hù)自己免受太陽輻射損傷，并延緩衰老。藍(lán)光就能夠增加萵苣中這類化合物的含量。

在日本、美國、荷蘭等國，已開始對植物工廠進(jìn)行研究與嘗試。目前，植物工廠的最大問題是能源負(fù)荷大，電費(fèi)在生產(chǎn)成本中所占比率很大。不過，上述各國已經(jīng)開始在節(jié)能上深入研究，比如，利用太陽能供電和利用風(fēng)能發(fā)電的自發(fā)電型植物工廠，或者利用科學(xué)的反光原理，使工廠內(nèi)的光能得到最大化地利用。有些植物工廠甚至可以利用微生物發(fā)酵發(fā)電，以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)與循環(huán)發(fā)展。有了這些先進(jìn)的技術(shù)作為支撐，植物工廠的普及漸趨可能。植物工廠的最終目標(biāo)是：你要生產(chǎn)某種蔬果，只要按下指定按鈕，工廠便能全自動地實施適當(dāng)?shù)沫h(huán)境控制，并定時定量地生產(chǎn)出高品質(zhì)的指定蔬果。