重大突破! 單基因改造可使作物用水量減少25%

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2050 年,糧食的需求量將增加70%。然而,灌溉農作物是極度耗水的行為──約占據全球 90% 的淡水資源,使糧食生產的永續性受到威脅。好消息是,近日發表於《Nature Communication》的研究指出,透過提高菸草中 Photosystem II Subunit S(PsbS)的基因表現,可節省 25% 的用水而不降低產量,未來將進一步測試於糧食作物,有望顯著提高農業用水效益。

人為操控氣孔開閉是省水解方?

乾旱是一個全球性的危機,如何利用有限的灌溉用水生產足夠的農作物是近年來亟欲解決的問題,其中一個可行方案是開發單位生產量水分需求較少的作物,但以往的進展皆有所侷限。植物透過葉子的氣孔吸收大氣中的二氧化碳行光合作用,然水份亦同時由此蒸散;因此,科學家把腦筋動到了氣孔開閉的操控──影響氣孔運動的四大因素包括植物中的濕度、大氣二氧化碳濃度、光照質量和光照量,在本篇研究中,來伊利諾伊大學(University of Illinois)的 Stephen Long 教授首度透過基因工程影響氣孔對光照量的調節,達到減少水分流失的效果。

PsbS蛋白:植物的重要守門員

葉綠體醌A(chloroplastic quinone A, QA)是植物光系統II(photosystem II)的主要電子接受者,根據最近的一項研究顯示,QA的氧化還原狀態是光照調控氣孔開閉的早期信息,其還原態會促使氣孔開啟。Photosystem II Subunit S(PsbS)蛋白是植物傳遞光照訊息路徑中的關鍵角色,其會直接影響光系統II天線複合體(antenna complex)吸收激發能的速率,並使 QA 更趨於還原態。由於 PsbS 蛋白會刺激激發能的散失,研究團隊推測 增加PsbS 蛋白表現將使 QA 維持在氧化態,進而造成氣孔對光照的反應降低。簡單來說, PsbS 增加時,植物會「誤以為」外在光量不足以行使光合作用,此時因不需要二氧化碳的參與,故觸發氣孔關閉,同時避免水分過度蒸散。

為了驗證上述假設,研究團隊分別在室內與田野中建立不同 PsbS 蛋白表現程度的煙草(Nicotiana tabacum)植株,並給予充足的水份。令人訝異的是,實驗結果不僅與預期一致,差異還相當顯著──PsbS蛋白高表現量之植株氣孔在相同光照下開口減少,且田野組之菸草植株能在不降低光合作用產能的前提下增加水份利用的效率(進入氣孔之二氧化碳量與水分散失之比例提高了25%),然而 PsbS 過量表達反而對生質產量不利,導致最終植物體積及乾重輕微降低。本篇研究為史上首度成功利用基因工程操控光線對氣孔反應之報導,值得一提的是,在過去的70年中,大氣中的二氧化碳濃度因溫室效應而提高,使植物的氣孔不須長期打開亦能吸收足夠的二氧化碳行光合作用, Long 教授表示:「演化並沒有跟上環境快速改變的步伐,科學家們只是向它們伸出援手。」

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開啟節水農業之門

本篇研究以菸草作為驗證假說的模型植物,其優點為容易操控與種植快速。基於 PsbS 基因在大部分行光合作用的植物中具有普遍性,研究團隊下一步將利用該成果於糧食作物上,並測試 PsbS 蛋白表現的增加在限水條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 博士後研究員表示,對於當前與未來的植物科學家而言,提高農作物的用水效率無疑是最大的挑戰,而本篇關於 PsbS 蛋白的研究成果將有助於農業灌溉的水資源分配,並使農作物在乾旱的環境中仍維持產量。若地球主要的糧食作物亦能藉由此手段提升用水效率而不產生負面影響,必能大幅降低未來發生「糧食危機」的可能性、同時提升淡水資源的利用效益,對於全球的食物供應將是一大福音。

延伸閱讀:生技革命的地下引擎:農業基因科技如何成為關鍵應用技術的搖籃

文 / Angela Chang

參考資料:
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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