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超級光合作用 下一世代人類糧食的解決方案!?

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生活在現代的我們,最便利的,大概就是隨手可得的飲食。選擇多元,價格低廉,這樣的便利,或許讓我們很難了解,世界糧食的供應與來源,是攸關未來人類存活的重要議題。但是這其實是整個世界都在面臨的長期問題,氣候環境的變遷、人均壽命的延長使得世界人口暴增…等,都讓人類數量與糧食的成長速度不成正比。幸好科學家們替我們居安思危,積極地在問題尚未蔓延到無法處理前,就從創新的角度與方向出發,找到防範未來可能形成的糧食危機的方法。我們會在這篇文章裡,了解到糧食問題的重要性與科學是如何從最新的基因科技「超級光合作用」(Supercharged Photosynthesis),提出可能的對應之道。

飢荒 無聲的危機

你知道,氣候變遷造成的聖嬰現象,引發非洲地區三十年來最嚴重的乾旱嗎?美國國際開發總署(USAID)2016年更提供了近 1 億美元(約新台幣 33 億元),對衣索比亞 1020 萬陷入飢荒的人口,緊急糧食援助。這股無聲的危機,不只在非洲,更蔓延到整個地球,因為聖嬰現象還有可能造成東南亞地區和澳洲乾旱,以及南美洲大雨,進而促使稻米、小麥和糖等糧食的產量驟減。所以即使是產糧國家,仍要防範可能形成的糧食危機。

另一方面,醫療技術的進步使得人口的增長速度增加,然而重要作物的產量與生長速度,卻遠遠無法跟上全球總人口的成長速度。再者,即使是在台灣,糧食自給率也逐年下降,2015 年為 33.3 %,遠低於 30 年前的 56 %。過度仰賴糧食進口的我們,一旦進口糧食來源短缺,也有可能馬上面臨糧食危機。

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超級光合作用 先進基因工程 提高作物產量

基因工程上的最新研究突破,或許能為上述的危機帶來曙光。隨著基因定序的普及,更多生物的基因已被解碼。近日,遺傳學家宣布,他們在基因改良水稻的研究,邁進了一大步。使水稻能像玉米和能快速生長的雜草那樣,更有效地吸取所需的陽光能量,大幅提升生長效率。這項跨越 8 個國家 12 個實驗室的研究團隊,透過科學家的努力,克服了一大障礙,大幅提高水稻的產量,未來也有可能應用在小麥。而這兩種人類賴以維生,佔了世界近40%的主要糧食作物,產量正逐漸趨於平緩,使得它越來越難以滿足快速增長的糧食需求。

簡單而言, 植物可以分成 C3 , C4 , 和 CAM 幾類,C3 植物會進行光呼吸作用 (Photorespiration), C4 植物不會進行光呼吸作用。C3 型植物如稻、麥、豌豆等絕大多數為溫寒帶植物,地球上大約 95% 的植物都是 C3。C4 植物為甘蔗、玉米等,主要分布在熱帶地區。而 CAM 主要為仙人掌、龍舌蘭等多肉植物。幾乎所有的 C3 植物進行光合作用時,如果光照過於強烈、氣溫偏高以致水分不足時,氣孔就會關閉,以避免水分的喪失,結果便是光呼吸無法產生能量而只能產生 CO2,使得光合作用的效率變低, 對於植物的生長並無幫助;而相反的,C4 植物光合作用的效率較高。而這個光合作用的「超級加速」過程,稱為碳4光合作用 (C4 photosynthesis),透過捕獲二氧化碳並將其濃縮於葉細胞中,加快植物的生長。允許光合作用更加有效。這是玉米和甘蔗長得如此高效的原因。如果水稻以 C4 光合作用生長,將能在種植的短短幾週內高聳於目前的水稻。研究人員計算出採用 C4 光合作用的水稻和小麥,每公頃產量約增加 50 %,這將可能使用更少的水和肥料,生產出等量的糧食,希望能夠解決面臨氣候變遷產生的糧食危機。

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然而目前科學家遇到的困境是,儘管基因的改變後的水稻植株仍主要依靠自己平時光合作用的形式為主。為了讓水稻能完全切換到新的光合作用模式,研究人員需要在細胞中進行更精確的安排。而新的基因組編輯方法,使科學家能夠精確地修改植物基因組的部分,在植物當中一次進行幾十個基因變化。輕鬆改變大量的基因,大幅改善了傳統農業育種方式的緩慢與不足。

儘管這項先進的基因工程,超級光合作用 (Supercharged Photosynthesis),要談到真正能普遍嘉惠於農民身上,可能還需要經過數年的研發時間。當然重組植物進行光合作用的方法是很複雜的一件事了。但是一旦科學家們排除了所有這些 C4 光合作用技術的難題,許多作物包括小麥、馬鈴薯、番茄、蘋果與大豆等,都可望加入快速生長的行列。當然,現今人們對於基改農作物還有許多的疑慮,不一定,基改農作物就是唯一的解決之道。無論如何,將來要怎麼在氣候變遷的難題威脅下,安全成功地解決糧食的來源,是值得人們深入探討與思考的議題。

延伸閱讀:野生稻米的全基因體定序首次完成 揭開稻米的演化過程

參考文獻
https://en.wikipedia.org/wiki/C4_carbon_fixation
https://www.technologyreview.com/s/535011/supercharged-photosynthesis/
http://www.plantphysiol.org/content/155/1/56.full
http://www.kachwanya.com/2015/02/20/idea-friday-supercharged-photosynthesis-solution-sporadic-hunger-games-kenya/

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