2050 年，粮食的需求量将增加70%。然而，灌溉农作物是极度耗水的行为──约占据全球 90% 的淡水资源，使粮食生产的永续性受到威胁。好消息是，近日发表于《Nature Communication》的研究指出，透过提高菸草中 Photosystem II Subunit S（PsbS）的基因表现，可节省 25% 的用水而不降低产量，未来将进一步测试于粮食作物，有望显著提高农业用水效益。
人为操控气孔开闭是省水解方？
干旱是一个全球性的危机，如何利用有限的灌溉用水生产足够的农作物是近年来亟欲解决的问题，其中一个可行方案是开发单位生产量水分需求较少的作物，但以往的进展皆有所侷限。植物透过叶子的气孔吸收大气中的二氧化碳行光合作用，然水份亦同时由此蒸散；因此，科学家把脑筋动到了气孔开闭的操控──影响气孔运动的四大因素包括植物中的湿度、大气二氧化碳浓度、光照质量和光照量，在本篇研究中，来伊利诺伊大学（University of Illinois）的 Stephen Long 教授首度透过基因工程影响气孔对光照量的调节，达到减少水分流失的效果。
PsbS蛋白：植物的重要守门员
叶绿体醌A（chloroplastic quinone A, QA）是植物光系统II（photosystem II）的主要电子接受者，根据最近的一项研究显示，QA的氧化还原状态是光照调控气孔开闭的早期信息，其还原态会促使气孔开启。Photosystem II Subunit S（PsbS）蛋白是植物传递光照讯息路径中的关键角色，其会直接影响光系统II天线复合体（antenna complex）吸收激发能的速率，并使 QA 更趋于还原态。由于 PsbS 蛋白会刺激激发能的散失，研究团队推测 增加PsbS 蛋白表现将使 QA 维持在氧化态，进而造成气孔对光照的反应降低。简单来说， PsbS 增加时，植物会“误以为”外在光量不足以行使光合作用，此时因不需要二氧化碳的参与，故触发气孔关闭，同时避免水分过度蒸散。
为了验证上述假设，研究团队分别在室内与田野中建立不同 PsbS 蛋白表现程度的烟草（Nicotiana tabacum）植株，并给予充足的水份。令人讶异的是，实验结果不仅与预期一致，差异还相当显著──PsbS蛋白高表现量之植株气孔在相同光照下开口减少，且田野组之菸草植株能在不降低光合作用产能的前提下增加水份利用的效率（进入气孔之二氧化碳量与水分散失之比例提高了25%），然而 PsbS 过量表达反而对生质产量不利，导致最终植物体积及干重轻微降低。本篇研究为史上首度成功利用基因工程操控光线对气孔反应之报导，值得一提的是，在过去的70年中，大气中的二氧化碳浓度因温室效应而提高，使植物的气孔不须长期打开亦能吸收足够的二氧化碳行光合作用， Long 教授表示：“演化并没有跟上环境快速改变的步伐，科学家们只是向它们伸出援手。”
开启节水农业之门
本篇研究以菸草作为验证假说的模型植物，其优点为容易操控与种植快速。基于 PsbS 基因在大部分行光合作用的植物中具有普遍性，研究团队下一步将利用该成果于粮食作物上，并测试 PsbS 蛋白表现的增加在限水条件下是否亦能提升植物的水份利用效率。共同第一作者 Johannes Kromdijk 博士后研究员表示，对于当前与未来的植物科学家而言，提高农作物的用水效率无疑是最大的挑战，而本篇关于 PsbS 蛋白的研究成果将有助于农业灌溉的水资源分配，并使农作物在干旱的环境中仍维持产量。若地球主要的粮食作物亦能借由此手段提升用水效率而不产生负面影响，必能大幅降低未来发生“粮食危机”的可能性、同时提升淡水资源的利用效益，对于全球的食物供应将是一大福音。
延伸阅读：生技革命的地下引擎：农业基因科技如何成为关键应用技术的摇篮文 / Angela Chang
参考资料：
1. https://www.nature.com/articles/s41467-018-03231-x
2. http://www.natureasia.com/zh-tw/phys-sci/research/12401
3. https://www.sciencedaily.com/releases/2018/03/180306115814.htm
4. https://geneticliteracyproject.org/2018/03/08/major-breakthrough-genetic-modification-of-single-gene-could-reduce-crops-water-use-by-25-percent/
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