圖片來源：Thomas Fuchs
撰文｜朱利安·諾沃格羅茲（Julian Nowogrodzk）
翻譯｜仇豔菲
2022年6月，當一場酷熱的熱浪席捲美國伊利諾伊州時，作物生理學家凱瑟琳·米查姆-亨索爾德（Katherine Meacham-Hensold）期盼著，她的團隊新研發的轉基因土豆品種能在熱浪中存活下來。令人驚喜的是，土豆不僅活得很好且長勢喜人。根據《全球變化生物學》（Global Change Biology）雜誌上的一項最新研究，在相同的生長條件下，這種土豆植株的紅色塊莖產量會比普通土豆植株高出30%。
“這項研究尤其值得關注，因為它顯示的是一種主要糧食作物能在田間環境中帶來真實的收益，”英國牛津大學的生物化學家愛德華·史密斯（Edward Smith，並未參與這項研究）表示，“我們沒有理由不將這種技術應用於其他更多的作物。”
為了改造土豆植株，任職於美國伊利諾伊大學厄巴納-尚佩恩分校的米查姆-亨索爾德和同事專注研究了一種名為光呼吸（photorespiration）的植物生理過程，在大部分植物中，其會導致光合作用的效率降低。光呼吸的產生是因為關鍵的光合作用酶RuBisCO受到干擾。正常情況下，RuBisCO需要與二氧化碳結合才能完成光合作用，但其有大約25%的時間會錯誤地與氧氣結合，開始產生一種抑制光合作用的有毒副產物（磷酸乙醇酸）。受高溫的影響，作物中這種低效、錯誤的過程會變得愈發頻繁，這可能會使作物產量降低多達50%。
圖片來源：pixabay
他們將一個基因插入到了轉基因土豆植株的細胞核中，使其可以產生一種蛋白質。這種蛋白質會轉移到葉綠體中，分解有毒副產物。這樣葉綠體就無需再將副產物轉移到其他細胞器中，可以節省能量。
2022年，當試驗田中的轉基因土豆進入生長季時，伊利諾伊州遭遇了一場極端熱浪，連續四天氣溫超過95華氏度（約35攝氏度）。不過這種土豆植株由於擁有新基因，產量提高近三分之一。這種基因還可以繼續遺傳給下一代。米查姆-亨索爾德說，“我們對這一結果十分震驚。”她補充說，在農業工程研究中，光合作用過程是一個具有潛力的靶點，透過影響這樣的過程，我們可以在不增加土地使用和化肥的情況下提高作物產量。史密斯表示，這些結果令人興奮，但他希望看看這種植株在未來數個種植季的表現。
新方法有可能幫助農作物適應氣候變化。雖然類似的策略曾在水稻中使用過，但這項研究首次證明這種方法不會降低糧食作物的營養價值。接下來，他們會將這種方法應用於大豆和豇豆。米查姆-亨索爾德提到，在非洲國家，豇豆是一種極其重要的糧食安全作物。另外，一種經過相同基因改良的高產大豆品種將在今年開展田間種植。
本文選自《環球科學》2025年03月刊“前沿”欄目。
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