作物生物學效應在農業生產中的應用研究

楊濘溶

（西藏大學理學院，西藏自治區 拉薩 850000）

世界人口不斷增長的趨勢下，人類愈加需要解決糧食問題。有相關統計顯示，至2050年前后，全球糧食生產量至少需要增加70%才能滿足全球人類需求[1]。現代工業發展導致全球氣候不斷惡化，可耕地土壤面積縮小、土地生物資源減少，促使科學家加快了對生物特性的研究[2]。作物生物學是一門研究類學科，主要研究作物的遺傳圖譜和孕育，實現優良品種篩選、良種化、標準化。21世紀初，隨著人們需求的提升，將生物技術融入到農作物生產中成為了一種趨勢。生物技術與信息技術相結合，不斷突破、不斷進步，促使進作物科學和現代農業技術的完美結合。

1 利用植物光合特性，提高產量

對于農作物來說，產量受限光合作用效率的影響。目前，我國農作物在光捕獲方面表現良好，但是光利用效率僅僅為20%左右，在光轉化上還有較大的提升空間。通常，在改善光合作用效率上是通過提高Rubisco酶活性、減少碳損耗等，從而實現效率最高化[3]。

1.1 提高Rubisco酶活性

Rubisco（1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶）是一種羧化酶，主要應用在光合作用中,通過增加氧含量，提高生物活性[4]。Rubisco酶是將無機碳轉化為生物炭的主要物質，但是Rubisco酶有2個最大的缺點：一是效率低；二是缺少專一性。一般的酶分子1 s可催化1 000個底物分子，但Rubisco每1 s只能固定3分子CO2分子。因此，植物細胞為彌補低效的缺陷而產生大量的Rubisco酶，Rubisco酶成為世界上含量最豐富的酶。Rubisco酶不能主動并敏感判斷分子特性，在一些化學性質相似的分子上，容易同時識別。Rubisco酶也有多種存在形式，見圖1，可通過分析它的存在形式，進一步合成相關酶催化，從而實現對光合作用效率的調控。

圖1 Rubisco酶存在形式Fig.1 The existing form of Rubisco enzyme

1.2 提高碳源

光合作用是通過提高CO2濃度，實現碳源的轉化。其途徑包括在C3植物中實現C4光合作用改造、重建物質，減少植物光呼吸中CO2損失[5]。我國在研究多基因系統組裝上已成功建立了呼吸輔助路線，明顯提高了光合作用效率，有效增加了植物產量。此外，還通過改善代謝產物排放路徑，減少了碳源損失。

1.3 提高光利用率

以上2點指出了碳轉化對光合作用的影響，還可以通過提高光能利用率，增強植物對光的吸收。比如，近期有研究團隊通過基因改造手段分別在擬南芥、煙草等植物中提高“巖藻黃素-葉綠體a/c復合蛋白”含量，提高光能利用率[6]。

2 嫁接

嫁接是一種人工繁殖的方法，屬于無性繁殖，將其樁與穗緊密貼合，提高存活率。嫁接充分利用了作物的生物特性，具有增強植株抗病抵抗力、耐高低溫能力、擴大根系吸收能力等優勢[7]。通過嫁接的方法可以使一些作物的產量提高40%左右。同時，此項技術不僅可以保留果實早熟的特性，還可以大大地縮短生長周期，提高總產量。嫁接方法主要包括靠接法、劈接法、機器法、插接法，見圖2。

圖2 嫁接方法分類Fig.2 The classification of grafting methods

3 植入抗干旱基因進而提高產量

我國半干旱地區約占20%，該地區農作物種植主要有3個點問題：人口基數大、可耕地面積少、土壤肥沃度低,這導致干旱地區單位產量僅僅只有全國平均水平的1/2～1/3，灌溉面積也只有5%～20%，這些不利因素極大地限制了農作物的生長以及當地農業和經濟的發展。

3.1 培育抗干旱品種

近年來，現代技術飛速發展，可利用基因工程手段改善植物生長特性，導入抗干旱基因片段，提高作物抗旱能力。

3.2 減少作物攝水量

干旱地區最大的特點是缺水，通過生物節水方式，可以從單葉到群體不同層次上以及通過植物作用提高植物水分利用效率（WUE），減少作物水蒸發[8]。

4 展望

農業是我國最根本的物質保障，我國由于人口基數大，人均耕地面積有限，在合理開發、利用土地資源上具有極大的挑戰性。在應對全球氣候變化的同時，如何改造、優化作物光合系統，利用植物生物特性，改善植物生長條件成為了重點。由此可見，生物學在未來農業發展上，具有舉足輕重的影響和地位。