超級光合作用植物

方陵生

在澳大利亞昆士蘭州的艾爾鎮附近，一塊土地上種植著一些不同尋常的作物。這些稍帶銀白色的青綠色植物，長長的肉質葉子向外展開，就像有著許多繃鋸齒的刀片，這就是龍舌蘭。

龍舌蘭是制作烈酒龍舌蘭酒所必需的原料，這也是它們最為有名的用途。與澳大利亞太平洋沿岸相比，種植龍舌蘭在墨西哥更為普遍。然而，對科學家來說，龍舌蘭對于人類的意義非同尋常，因為這種超級植物（具有超強光合作用的植物）是即將到來的全球能源革命的一部分。

龍舌蘭的確非同尋常，即使在地球上最干燥缺水的地方，它們也能正常進行光合作用。這就使科學家們聯想到了地球的糧食供應。隨著氣候變暖，地球上的糧食供應開始受到威脅，科學家開始競相研究龍舌蘭。期望能夠駕馭龍舌蘭所具有的那種神秘力量。那么，龍舌蘭這種超級植物，究竟具有什么能耐，又可能給我們帶來什么樣的驚喜呢？

龍舌蘭是制作烈酒龍舌蘭酒所必需的原料。但對科學家來說，龍舌蘭對于人類的意義非同尋常

普通植物的光合作用效率令人失望

地球上的植物在為人類提供食物、燃料、建筑材料和自然美景的同時，還封存了大量的二氧化碳，否則。地球這個恒溫器的溫度會變得更高。人類的生存一直在依賴并將繼續依賴植物的光合作用。光合作用是一種非常奇妙的自然現象。植物通過捕獲陽光伯能量，將二氧化碳和水轉化為糖和氧，從而將能量儲存起來，為滋養我們提供所需。然而，盡管植物光合作用經過了20億年漫長的演化歷程，但我們必須承認：植物完成了一個奇跡，卻沒有做得很好。彗通植物將太陽能轉化為生物質的效率最高僅為4.6%，這樣的效率實在有點令人失望。

普通植物多采用碳3光合作用的方式

為此，科學家希望通過探索龍舌蘭等植物超強光合作用的秘密，來開發和利用龍舌蘭的這種強大而神秘的光合作用能力，從而為人類創建一個更加綠色環保、更清潔、更安全的未來。塔恩等科學家就是在做這項工作。

碳4水稻之夢

普通植物的這種低效率的光合作用，被稱為“碳3光合作用”，地球上90%的植物（包括小麥、水稻和大豆等）都是碳3植物。只有約4%的植物物種采用的是碳4光合作用，但它們卻占陸地生物量的23%。碳4植物包括一些主要的食用植物如玉米、甘蔗，以及眾多動物性食物所需要的牧草。全球變暖將導致養活全人類的壓力增大，糧食危機形勢嚴峻。即使21世紀全球變暖控制在了預期的范圍內，小麥、水稻和大豆等碳3作物的產量還是可能會下降6%～15%。這就促使一些科學家產生了要制造更多碳4植物這種高效光合作用植物的想法。這些科學家在想：是否可以通過基因工程促成碳3植物采用碳4植物的光合作用？

碳4水稻項目將世界一半人口的主食轉化為碳4作物

碳4水稻項目是2008年啟動的一項國際性大項目，旨在通過這一研究取得的成功將世界一半人口的主食轉化為碳4作物。碳3水稻缺乏碳4植物所特有的葉片結構，因此需要通過插入20或30個新基因對其結構進行重新設計。有科學家認為，這是目前合成生物學和基因組工程領域最大的項目。

2017年，研究人員宣布，已經培育出了一種碳4水稻品種樣本，該改良品種擁有那些重要的細胞間通道，植物葉綠體也更大。預計，到2030年，碳4水稻將進行大田試驗。研究人員表示，我們可能得不到完美的碳4水稻，但我們會得到產量更高的碳3品種。與此同時，另一些研究人員已經在大氣二氧化碳濃度較高的環境中種植了水稻，以獲得碳4水稻的相關數據。實驗數據表明，這些作物的產量將比傳統作物高出50%。

光合作用的三種類型

碳4水稻項目曙光初現，但還遠遠不夠。隨著氣候變化，我們不僅需要糧食作物更高效，我們還需要糧食作物能夠適應更嚴酷的環境條件。科學家認為，在全球氣候危機背景下，水將成為限制農業發展的因素。據預測，未來一個世紀里，干旱將肆虐許多半干旱地區，預計45%的土地將發生更頻繁、更嚴重和更持久的千旱。如果太過干旱導致糧食作物無法生長，那么，增強版光合作用水稻也無濟于事。

景天酸代謝植物

然而，大自然還有一種秘密武器——大約7%的植物采用的是第三種光合作用，這些植物被稱為景天酸代謝（以下簡稱CAM）植物。CAM植物包括菠蘿、蘆薈和香草，昆士蘭的鋸齒葉銀龍舌蘭也是其中之一。

大自然還有一種秘密武器，大約7%的植物采用的是第三種光臺作用：CAM

與碳4光合作用一樣，CAM植物可預濃縮二氧化碳以提高魯比斯科酶的效率。但有所不同的是，碳4植物是從物理上將光合作用分成兩部分，而CAM植物則是從時間間隔上將光合作用分離成兩部分。與大多數植物不同的是，CAM植物只有在涼爽的夜晚才會打開氣孔來捕捉二氧化碳。當太陽升起時。植物氣孔就會關閉以防止水分流失，此時植物只利用儲存的二氧化碳進行光合作用。正因為它們的這些適應性變化，和耐旱的碳3植物及碳4植物一樣，CAM植物只需要20%的水就能夠滿足生長需要。隨著全球變暖。水的短缺將成為限制農業發展的重要因素，而不需要太多水的碳4和CAM植物亦將是滿足未來糧食需求的希望所在。

龍舌蘭的種植越來越普遍，并且有了許多不同尋常的用途。例如，塔恩的種植園正在做用龍舌蘭來生產生物燃料的實驗。在世界許多地區。生物燃料已經被用來作為汽油的補充，越來越多地被視為液體化石燃料的可替代品。但由于種植生物燃料需要大量的土地、水和其他資源，其功過利弊也存在爭議。

塔恩和他的同事最近發表了第一份關于龍舌蘭—生物乙醇生長周期的綜合評估報告，并對溫室氣體排放、水消耗和環境污染等問題進行了研究。他們發現，與從玉米中提取乙醇相比，從龍舌蘭植物中攝取生物乙醇對全球變暖的影響要低60%，比從甘蔗中攝取乙醇要低30%。另外，因為在澳大利亞種植龍舌蘭沒有本土害蟲，所以既不需要灌溉，也不需要殺蟲劑。

龍舌蘭等作物，它高大的青綠色葉子將成為地球上更加常見和亮麗的一道風景線

庫什曼的研究小組正在進行的是一個種植仙人掌果的項目。仙人掌果用途廣泛，可用于食品、動物飼料、生物乙醇和沼氣。仙人掌果原產于美洲，可在溫度基本保持在零度以上的任何地方茁壯成長。這意味著地球上1/5不適合種植其他作物的土地都可以用來種植這種仙人掌果。在內華達州的大田試驗表明，1公頃的仙人掌果每年可產生多達44噸的生物量。與玉米和甘蔗的產量相當。巴西和突尼斯都在許多峽谷地帶種植了仙人掌果，當地的科學家們觀察到，由這種仙人掌組成的樹籬可以防止水土流失，提高土壤中的氮含量。

人們通常認為，CAM植物生長緩慢，其實這是對它們的誤解。像玉米和大豆這樣的一年生作物生長迅速，但一年只有一個生長季節，通常需要4～6個月的生長期;而大多數CAM植物是多年生植物，可以連續生長數年，因此一些CAM作物同樣也能夠高產。

未來的超級作物

一些科學家想知道，是否可以利用CAM作物開展一些與碳4水稻項目類似的項目。碳4水稻項目的目的是將碳3和CAM作物的特性結合起來，產生一種終極超級作物。過去的5年里，科學家們已經對幾種CAM植物的基因組進行了測序，但是要獲得最終的成功，還有很長的路要走。雖然我們已經大致了解了CAM光合作用的路徑，但具體的運作方式，比如隨時間波動、酶的調節等重要細節尚不清楚。

目前，科學家正在將對CAM基因的理解綜合起來，開發CAM大豆的原型。他們認為。大概5年后我們將獲得這樣的原型，但在田間大面積種植可能還需要較長的一段時間。與此同時，地球上越來越多的半干旱土地都在計劃種植龍舌蘭等作物，龍舌蘭高大的青綠色葉子將成為地球上更加常見和亮麗的一道風景線。