未来喂养全人类的超级作物现曙光？

一些不寻常的植物，其光合作用的能力与众不同。未来喂养地球上庞大数量的人口可能要靠它们。

在澳大利亚昆士兰州的艾尔镇附近，有一片不寻常的农田。农田里长着一种高大的植物，长长的肉质叶子向四面八方伸展开去。这种作物叫蓝色龙舌兰，通常是制造烈性龙舌兰酒的原料。但是在澳大利亚悉尼大学的丹尼尔·谭看来，它们是即将到来的全球农业革命的一部分。

我们确实需要这样一场农业革命。随着全球变暖，许多粮食作物的产量在降低，可是我们对粮食的需求却与日俱增。有人预计，30年后地球人口将达到100亿；为养活这么多人，我们需要多生产大约50%的粮食。

像刚去世的中国科学家袁隆平，丹尼尔·谭也在致力于解决粮食问题。袁隆平试图通过杂交来提高水稻的产量；而谭等人的解决方案更激进，他们试图改造植物的光合作用来达到目的。

说起光合作用，大家并不陌生，但鲜为人知的一个事实是，大多数植物的光合作用效率低得惊人。而有些植物，像龙舌兰，却具有超强的光合作用本领。所以，了解其中的秘密，关系到我们的未来。

普通版的光合作用

假如世界上真有所谓的奇迹，那么植物的光合作用应该就是奇迹之一。光合作用捕获空气中的CO2，利用太阳光的能量，将其转化为糖类……由于CO2和太阳光取之不尽，所以植物能为我们源源不断地提供食物。

但是，在赞叹这一奇迹的时候，我们不要忽略这样一个事实：在90%的植物（包括小麦、水稻和大豆）的光合作用中，太阳能的利用率最大仅有4.6％。

利用率低下要归罪于一种叫做加氧酶（Rubisco）的蛋白。这种酶吸收CO2分子，并将其与另一种化合物结合，形成一个含有三个碳原子的分子，作为生产糖的第一步——因此，这叫C3版的光合作用（下面可以看到，还有另两个版本的光合作用）。问题是，在C3版的光合作用中，40%的时间里加氧酶都在“走神”，不是去吸收CO2，而是去吸收氧气，这就白白浪费了太阳能。当植物关闭叶子上的气孔以防止水分流失时，问题变得更糟，因为没有了CO2的参与，光合作用几乎停止。

但是，当我们嗔怨大自然为什么不能做得更好些的时候，假如大自然能说话，它一定会如是回答：我哪想得到世界变化这么快！30多亿年前，当植物进化出光合作用的时候，这根本不是个问题。那时地球大气中富含CO2，几乎不含氧气。加氧酶根本没有“走神”的诱惑。但是具有讽刺意味的是，由于植物的光合作用，后来大气中的氧气变得越来越丰富，如今反而成为光合作用的一个障碍。

高产版的光合作用

不过，在过去的1亿年里，一些植物已经找到了变通的办法，进化出一个被称为C4版的光合作用。C4版将C3版的光合作用场所一分为二：首先，它在叶肉的海绵状细胞中捕获CO2分子，产生一个四碳分子；然后，这种四碳分子通过特殊的渠道被输送到叶脉周围的细胞中，在那里被分解，再次释放出CO2。只有到这时，加氧酶才参与进来。由于再次释放的CO2浓度提高了，加氧酶“分心”的机会减少，所以太阳能的利用率就提高了。除此之外，C4植物的光合作用“厂房”——叶绿体——也“扩建”了，比C3植物的叶绿体要大，这也给它们带来了更多的动力。

刺梨仙人掌也是一种CAM植物

这样的好处是明显的。譬如，虽然C4植物只占植物物种的4%，但它们生产的生物质却占23%。常见的C4作物包括玉米、高粱和甘蔗等农作物，以及狗尾草、白茅等杂草。

在知道了光合作用的两个版本之后，我们当然希望更多的农作物从C3版升级到C4版，而基因工程使这一梦想有了实现的可能。

世界上一半人口的主食是大米，而水稻是一种C3作物。2008年启动的国际合作——C4水稻项目，就旨在将水稻转变为C4作物。

水稻的叶片由于缺乏C4植物的特殊结构，需要在其基因组中插入20~30个新基因来重新塑造。2017年，项目组宣布已经在实验室创造出了一个C4水稻物种，它的产量比传统水稻高50%，预计将于2030年进入田间试验阶段。

耐旱版的光合作用

尽管C4水稻项目雄心勃勃，但是这还不够。随着气候的变化，我们不仅需要能更有效地生产粮食的作物，还需要作物在更苛刻的条件下进行生产粮食。在全球气候危机的背景下，水将成为农业的限制因素。据预测，在未来的一个世纪里，干旱将蹂躏许多半干旱地区。届时，过分依赖灌溉的水稻将无法生长。

然而，抵抗干旱的招数也早已存在于自然界中。约有7%的植物物种使用了第三个版本的光合作用，称为“景天酸代谢（CAM）”。前文提到的蓝色龙舌兰就是其中一种，其他还包括菠萝、芦荟和香草兰等植物。

与C4版的光合作用一样，CAM版的光合作用也是通过预先提高CO2的浓度，来减少加氧酶“走神”的。所不同的是，C4植物将光合作用的场所分开，而CAM植物将其在时间上分开。与大多数植物不同，CAM植物只在夜晚凉爽的时候才打开气孔捕获CO2。它们先将CO2储存起来，待到太阳升起，气孔关闭以防止水分流失时，才利用储存的CO2进行光合作用。由于这些适应性，CAM植物对水的需求只及最耐旱的C3和C4作物的20%。

两种著名的CAM作物

作为一种CAM植物，在拉美地区龙舌兰长期以来一直被用作食品，但它们正越来越多地被种植在新地方，并用于不寻常的目的。谭在昆士兰州种植龙舌兰，是为了测试其被用来生产生物质燃料的可行性。在世界许多地方，生物质燃料被视为液体化石燃料的替代品。玉米、甘蔗认为是生产生物质燃料的较理想的作物，但由于种植它们需要土地、水和其他资源，因此也存在争议。

谭和他的同事最近发表了一份关于用龙舌兰生产乙醇的评估报告。他们发现，与用玉米生产乙醇相比，用龙舌兰生产乙醇对全球变暖的影响低60%，比用甘蔗生产乙醇低30%。此外，种植龙舌兰不需要灌溉，不会与人类争夺水资源；也不需要杀虫剂，对环境无污染。

龙舌兰并不是唯一具有潜力的CAM作物。原产于美洲的刺梨仙人掌，同样可用于生产食品、动物饲料、乙醇和沼气。这种仙人掌在气温保持在零度以上的地方都能生长。这意味着，全球不适合种植其他作物的五分之一土地都可以用来种植它。实地试验表明，一公顷的刺梨仙人掌每年的产量与玉米、甘蔗相当。

呼唤抗旱版的粮食作物

即使你不使用CAM植物做任何特别的事情，它们也值得拥有。由刺梨仙人掌组成的树篱可以防止水土流失，并提高土壤的含氮量。在南非，过去几年出现了极端干旱，一些农民正在种植另一种称作马齿苋树的CAM作物，以恢复土地的肥力。

一些人在想，我们是否可以更进一步，进行类似于C4水稻的实验，将普通粮食作物升级为CAM版的抗旱作物呢？

在过去的五年里，科学家已经对几种CAM植物的基因组进行了测序。但前面的路还很长，因为我们对CAM光合作用的一些重要细节仍不清楚。目前，科学家正在全力开发一种CAM大豆。乐观地估计，未来五年内我们将会拥有一个CAM版的大豆品种。

与此同时，地球上越来越多的半干旱土地将被种植上龙舌兰等作物。我们对它们高大的身影将更加熟悉。