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研究前沿

降低稻田碳排放,大麦基因来帮忙

信息来源: 本站原创 发布日期: 2015-07-23 浏览次数:

降低稻田碳排放,大麦基因来帮忙

                             

从我国长江中下游及以南的丘陵地区,向南一直延伸到印度平原和东南亚热带雨林,一块块的水田是这些地区最为典型的农耕风貌。而这些总面积达十余亿亩的水田中种植的水稻,是这片集中着近世界三分之一人口的地区最为主要的粮食来源。

水稻田靠产出稻米滋养着世界近三分之一人口,同时也因排放大量温室气体促进着全球变暖的进程。

然而,就在这些水稻为人们提供宝贵热量的同时,它们同时也在为地球“加热”。种植水稻会释放巨量的甲烷到大气中,而甲烷则是二氧化碳之外最为主要的温室气体。于是,如何减少水稻种植中的甲烷排放成为了农业工作者的重要研究对象。

而就在今天,发表在《自然》的一篇论文提出了在不减少甚至增加水稻淀粉产量的基础上,减少种植过程甲烷排放的方法。而这一成果的关键技术,就是借用了一套来源于大麦的基因。

稻田:巨大的碳排放源

尽管从总量上来说,排放到大气中的甲烷远少于二氧化碳,但是由于甲烷的温室气体效应比二氧化碳高30余倍,因此甲烷依然为工业化以来的全球变暖做出 了约20%的“贡献”——而在这些进入大气的甲烷中,有7%~17%是由稻田释放的。根据测算,全球每年从稻田中逸出的甲烷总量高达2500万吨至1亿 吨。

为何稻田会成为巨大的甲烷“制造厂”?这和稻田及水稻种植的特点密不可分。经过多年的耕作,稻田中的土壤颗粒被破碎为极为细小的颗粒,彼此能够紧实 的挤压在一起,空隙很小;水田的水分夹杂其中,使得空气无处藏身,整个水田成为极度缺氧的环境。与此同时,耕作和肥料的使用,使得水田中有着丰富的有机物 残渣,并且水稻根系在生长过程中,也不断向水田内分泌有机物。此外,种植水稻的水田,大多分布于亚热带和热带地区。

缺氧的环境、大量的有机物和温暖的环境,使得水稻根际土壤中产生大量厌氧型微生物。而这些微生物中,就包含相当多的产甲烷菌。整个水田,就好似一个巨大的无盖沼气池,源源不断的将有机物分解为甲烷,并肆无忌惮的排放入大气之中。

由于水田环境适合产甲烷微生物大量繁殖,大量甲烷从水稻田中逸出。图片来源:研究论文

如此巨量的甲烷释放也是一种潜在的浪费——这些甲烷中的碳,有相当部分也是来源于通过光合作用而固定的二氧化碳。如果能够使得水稻将这些碳转化为能被人们所利用的有机物,比如淀粉,那将会是一个一举两得的事情。

改变糖运输,增产又减排

不过长期以来,减少水稻甲烷排放和增加有机物产量,是一个“鱼和熊掌不能兼得”的事情。传统上减少甲烷排放的方式,是通过改良耕种、灌溉等农业技 术,来改变稻田土缺氧环境、减少有机物残留,以抑制产甲烷菌活动。然而,这些行为会改变水稻根际环境,对水稻生长产生一定影响。另一方面,因为控制甲烷排 放量对于植株个体的筛选来说并非易事,传统的育种方式很难选育出“低甲烷排放”的水稻。高产的水稻品种意味着向根部输送的有机物更多,同样不利于减少甲烷 排放。

新的生物技术让人们看到了解决这一问题的希望。研究者设想,通过调整水稻体内的有机物分配过程,或许能让一些本该运输到根部的有机物进入籽粒当中。 这样既能够减少有机物向土壤中的释放,同时又能增加籽粒有机物的含量。事实证明,这个设想是可以实现的。而一个来自大麦的基因SUSIBA2,成为了实现 这个梦想的关键。

SUSIBA2(Sugar signaling in barley 2)基因是大麦内编码一个调节糖类代谢过程的转录因子。之前的研究发现,在组织细胞内较高水平地表达这种转录因子,可以增强该部位“接纳”有机物的能力, 并提高淀粉效率。瑞典农业科学大学与福建省农业科学院的研究者将这一基因转移到水稻基因组中,并通过一个同样来自大麦的启动子SBEIIb,来驱动 SUSIBA2基因在水稻的茎及籽粒中表达。检测显示,在被筛选出的两个株系中,SUSIBA2得到了理想的表达,因此这两个株系被用来进行后续实验。

研究者发现,相比于传统水稻,这些转基因水稻的地上部分生物量显著增加,特别是籽粒中的淀粉含量提高了约13%。在福建等地连续3年的田间测量表明,这些水稻在生长期的甲烷释放量,只有同样耕作技术下传统水稻的10%;在结实期间,这一数值可继续降低到仅0.3%。

左图:一般水稻的根部有丰富的产甲烷微生物。右图:转入SUSIBA2的水稻,根际的产甲烷微生物显著减少。图片来源:Chuanxin Sun and Anna Schnürer

同时,对土壤根际微生物菌群的元基因组测序显示,土壤中多种产甲烷菌的数量也有明显下降。研究者们推测,这些转基因水稻能够大幅降低甲烷释放的原因,在于减少了根部的有机物分配,降低了根在生长过程中向土壤中释放的有机物,从而减缓了产甲烷菌的活动。

更有意思的是,在这种“高淀粉低甲烷水稻”中,驱动SUSIBA2基因表达的启动子SBEIIb本身可以受SUSIBA2和糖的诱导而提高活性,因 此在气温较高的夏季及一天中的中午时段,水稻光合作用产生的糖能够诱导SUSIBA2的表达量进一步提高,形成了“滚雪球”般的正反馈效应,从而进一步减 少向根部的有机物输送。这一巧妙的设计让本应随着温度升高而更加活跃的产甲烷菌变得“缺粮”,从而大幅降低了甲烷的产生。

让生物技术做更“大”的事

提到农业生物技术,一般人头脑中通常反应出的,是一些农业相关性状的改良,例如增加产量、提高抗病抗虫性、增加肥料利用率,以及降低生产成本等。而这项研究成果让我们看到,生物技术有能力做到更“大”的事——例如为减缓全球变暖做出贡献。

事实上这并不奇怪,毕竟农业生态系统是地球生态系统中重要的组成部分之一。数千年以来,为了养活逐渐增加的人口,农田,以及更加广义的畜牧用地,已经极大地改变了地球的本来面貌,同时对地球生态产生了举足轻重的影响。稻田所释放的甲烷,就是其中具有代表性的一员。

而现在,人们已经拥有足够的技术,来降低农业生产对环境及地球生态的不利影响。除了减少稻田甲烷释放外,农业中另一大甲烷释放来源——反刍牲畜体内 发酵产生的甲烷,同样可以依靠新的生物技术来降低其排放。目前已有研究者试图通过改良牲畜饲料、体内菌群,甚至直接改造牲畜的消化系统,来达到减少甲烷产 生的目的。

在环保呼声日益高涨的今天,农业这个受到人类强烈干预,但又与自然生态系统联系紧密的生态系统,不但要供给人类文明延续和进步所需的物质基础,同时也必须向着对环境更加友好的方向发展。在这一宏大的发展潮流中,新的生物技术依然“大”有可为。


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