小麦、水稻和大豆作为地球上最为重要的几种农作物之一，是人类赖以为生的能量和蛋白质的主要来源，它们的产量关乎着整个世界的粮食安全。全世界的人口目前已经达到了 76 亿，而根据 2017 年联合国发布的一份报告预测到 2050 年的时候，世界人口将达到 98 亿。人口的增长对粮食的增产提出了巨大的挑战：科学家们预计到本世纪中叶，粮食需求将在 2005 年的基础上增加 60%-120%。
过去四十多年的时间里，全球的粮食产量增长了 135%，这样的增幅拜杀虫剂、化肥、灌溉系统、机械化等现代农业的发展成果所赐。然而这些手段带来的增产效果几乎已经达到极限，想要依靠这些手段继续维持过去四十多年的高速增长几无可能。目前的粮食产量每年增长不足 2%，按照这一速度，到 2050 年的时候，在近百亿人口的粮食需求面前，将会出现巨大的粮食缺口。必须想办法让粮食产量增加得更快。
美国的几位科学家通过对烟草的研究，想到了一个办法，或许可以为未来的粮食危机提供一种解决思路。
小麦、水稻、大豆和烟草这四种作物有什么共同点？这个问题每个人的答案可能各不同相同，对美国农业研究服务部（United States Department of Agriculture-Agricultural Research Service）的 Paul South 博士来说，这四种作物的共同点在于它们都是碳三（C3）植物。
C3 植物通过光合作用固定 CO2 的过程中会利用一种名叫二磷酸核酮糖（RuBP）的物质与 CO2 结合。RuBP 含有 5 个碳原子，与 CO2 结合之后会形成一种含有 6 个碳原子的中间产物，这种中间产物非常不稳定，会立即分裂成两个含有 3 个碳原子的化合物 3-磷酸甘油酸（PGA）——这也是 C3植物的名称由来。就这样 CO2 被固定下来，之后再经过一系列复杂的生化反应，最终生成葡糖糖、淀粉等碳水化合物。
在 C3 植物的固碳过程中，会产生一些有害的副产物，这些副产物会经过光呼吸作用变为无害的物质，但是这个过程非常耗能，同时也会损失掉一些已经固定下来的碳。“根据估计，这一过程会明显拖累像大豆、水稻、水果和蔬菜这些植物多达 36% 的产量。” South 博士在接受 BBC 采访时说。
于是 South 博士领导的团队就在想，如果可以减少固碳过程中的有害副产物，那么植物就可以把节省下来的能量和碳用于生产葡糖糖和淀粉，这样就可以让产量得到很大程度的提高。
实际上自然界中就有一些光合藻类、细菌和植物进化出了一种名叫碳浓缩机制（carbon-concentrating mechanisms, CCMs）的方式来减少固碳过程中的副产物。这些拥有碳浓缩机制的生物也是 South 博士的灵感来源。
研究人员利用烟草试验了这一想法。之所以选择烟草是因为烟草的生长周期短（从播种到结子只需要 3 个月）、烟草的基因组已经被人类完整测序过、已拥有针对烟草的成熟而高效的遗传转化方法（transformation protocols）而且烟草可以像其他农作物一样在田间密植。
通过基因工程导入外源基因以及 RNA 干扰的方法，研究人员改变了烟草的固碳过程，而这一改变也正如 South 博士和他的同事们预计的那样带来了产量的增加：田间试验发现烟草的产量最大增长了超过 40%。这一研究结果发表在了 1 月 4 日出版的《科学》（Science）上。研究人员相信，烟草身上发生的变化，同样也会发生在其他 C3 作物身上，而且在提高作物产量的同时也会降低对环境的影响。
“我们真的希望这是一项能够进一步优化农业的技术，这样我们就将不再用到那么多的外部投入（化肥、杀虫剂、除草剂、灌溉），而且我们用更少的土地就能获得更多的食物。” South 博士说。
题图来自：Pixabay
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