用浮萍構建水上糧倉

王思瑤

目前，全球糧食安全形勢嚴峻，我國糧食安全也備受考驗。如何充分開發新的非傳統生物資源，建立有別于傳統農耕的糧食生產模式迫在眉睫。對此，中國科學院成都生物研究所趙海研究團隊經過15年的研究，對水生植物浮萍在保障糧食安全上的戰略價值有了系統而深刻的認識，取得了重要的研究成果。

15年前，趙海的研究重心集中在薯類燃料乙醇關鍵技術的研究和開發，相關研究成果已獲得實際轉化應用。但當時學界和產業界均認為生物能源的開發必須遵循不“與人爭糧，與糧爭地”的原則，只要是土壤里種出來的作物就不是“非糧原料”。因此薯類的非糧屬性始終被一些專家質疑。

為此，趙海和團隊決定要尋找一種不占用耕地的無爭議的非糧物種，他們另辟蹊徑地選擇在水生植物中尋找合適的對象，最終，關注到了浮萍這一浮水植物。

浮萍是一類在全球廣泛分布的水生植物，可生長期長，在溫、熱帶地區可全年生長。其繁殖速度極快，最適條件下30小時即可翻倍，是生長速度最快的開花植物之一。國外對浮萍作為新型生物資源的重要價值認識較早，但研究工作分散，而國內對浮萍的研究不多，只開展了一些零散的研究工作。

為了更好地研究浮萍，趙海收集了來自全球800余份具有地域代表性的浮萍株系，建成了全球最大的種質資源庫;并通過高通量篩選與評價技術體系的建立，實現了各種特性的浮萍資源的系統篩選。

經過多年連續的系統研究，趙海團隊發現，浮萍具有高光合效能，在誘導條件下光能轉換效率能達到5.7%～6.6%，比C4能源作物和糧食作物更高，且超過90%的碳流向了淀粉合成。為此，研究團隊完成了對最具淀粉生產潛力的少根紫萍的全基因組測序，系統闡釋了浮萍高淀粉積累的機制。

經過嚴格科學篩選出的浮萍高淀粉積累株系，可在調控下經10天淀粉含量從6.52%提高到75.88%，達到2.5噸/畝/年的淀粉生產能力，是水稻畝產淀粉的6倍以上，已建成100m2的高淀粉浮萍自動化植物工廠，并完成模式驗證。篩選出的高蛋白株系，蛋白質含量>50%，達到1噸/畝/年的蛋白生產能力，是大豆畝產蛋白的5倍以上。

團隊還開展了浮萍生物質能源轉化技術開發研究，以高淀粉浮萍為原料，取得了發酵效率>95%、乙醇濃度>13%，丁醇濃度每升10.65克、總溶劑每升18.65克的技術指標，達到國際先進水平。這一成果于2014年獲得聯合國工業發展組織（UNIDO）頒發的“全球可再生能源領域最具投資價值領先技術藍天獎”。

除此之外，團隊還開展了將浮萍作為合成生物學底盤生物的探索性研究，已建立了浮萍遺傳轉化、基因編輯和浮萍細胞懸浮培養技術體系，目前已實現了雞瘟疫苗、白介素等高值活性物質在浮萍中的高效表達，并驗證了由此獲得的轉基因產物的生物活性和功能。

目前，趙海團隊發表浮萍相關《科學引文索引》（SCI）研究論文40余篇，申請發明專利12項，其中已授權11項，被公認為全球研究浮萍系統、全面的團隊。2021年，團隊參與第十屆國際環境與可持續發展大會（ISCES），獲得由聯合國環境規劃署頒發的“全球環境挑戰賽”獎第二名。

對浮萍15年的研究，讓趙海意識到浮萍是極具研究與應用價值的水生植物。浮萍結構簡單，以無性繁殖為主，適于工廠化生產，具有“農業產品工業化”的前景，可提供一種有別于傳統糧食生產的新型生產模式;并且還具有模式植物特性，可作為合成生物學的底盤生物，提供高效的生物反應器。同時，浮萍的種植還有利于水體凈化和CO2的減排，為減輕溫室效應作出貢獻，助力“雙碳”目標的實現。

為此，趙海表示將繼續在浮萍研究領域深耕，讓這一具有戰略價值的生物資源造福人類，發揮他作為科研工作者的應盡之力。

（責編：蘇寒山）