生活在现代的我们，最便利的，大概就是随手可得的饮食。选择多元，价格低廉，这样的便利，或许让我们很难了解，世界粮食的供应与来源，是攸关未来人类存活的重要议题。但是这其实是整个世界都在面临的长期问题，气候环境的变迁、人均寿命的延长使得世界人口暴增…等，都让人类数量与粮食的成长速度不成正比。幸好科学家们替我们居安思危，积极地在问题尚未蔓延到无法处理前，就从创新的角度与方向出发，找到防范未来可能形成的粮食危机的方法。我们会在这篇文章里，了解到粮食问题的重要性与科学是如何从最新的基因科技“超级光合作用”(Supercharged Photosynthesis)，提出可能的对应之道。
饥荒 无声的危机
你知道，气候变迁造成的圣婴现象，引发非洲地区三十年来最严重的干旱吗？美国国际开发总署（USAID）2016年更提供了近 1 亿美元（约新台币 33 亿元），对埃塞俄比亚 1020 万陷入饥荒的人口，紧急粮食援助。这股无声的危机，不只在非洲，更蔓延到整个地球，因为圣婴现象还有可能造成东南亚地区和澳洲干旱，以及南美洲大雨，进而促使稻米、小麦和糖等粮食的产量骤减。所以即使是产粮国家，仍要防范可能形成的粮食危机。
另一方面，医疗技术的进步使得人口的增长速度增加，然而重要作物的产量与生长速度，却远远无法跟上全球总人口的成长速度。再者，即使是在台湾，粮食自给率也逐年下降，2015 年为 33.3 %，远低于 30 年前的 56 %。过度仰赖粮食进口的我们，一旦进口粮食来源短缺，也有可能马上面临粮食危机。
超级光合作用 先进基因工程 提高作物产量
基因工程上的最新研究突破，或许能为上述的危机带来曙光。随着基因定序的普及，更多生物的基因已被解码。近日，遗传学家宣布，他们在基因改良水稻的研究，迈进了一大步。使水稻能像玉米和能快速生长的杂草那样，更有效地吸取所需的阳光能量，大幅提升生长效率。这项跨越 8 个国家 12 个实验室的研究团队，透过科学家的努力，克服了一大障碍，大幅提高水稻的产量，未来也有可能应用在小麦。而这两种人类赖以维生，占了世界近40％的主要粮食作物，产量正逐渐趋于平缓，使得它越来越难以满足快速增长的粮食需求。
简单而言, 植物可以分成 C3 , C4 , 和 CAM 几类，C3 植物会进行光呼吸作用 (Photorespiration)， C4 植物不会进行光呼吸作用。C3 型植物如稻、麦、豌豆等绝大多数为温寒带植物，地球上大约 95% 的植物都是 C3。C4 植物为甘蔗、玉米等,主要分布在热带地区。而 CAM 主要为仙人掌、龙舌兰等多肉植物。几乎所有的 C3 植物进行光合作用时，如果光照过于强烈、气温偏高以致水分不足时，气孔就会关闭，以避免水分的丧失，结果便是光呼吸无法产生能量而只能产生 CO2，使得光合作用的效率变低, 对于植物的生长并无帮助；而相反的，C4 植物光合作用的效率较高。而这个光合作用的“超级加速”过程，称为碳4光合作用 (C4 photosynthesis)，透过捕获二氧化碳并将其浓缩于叶细胞中，加快植物的生长。允许光合作用更加有效。这是玉米和甘蔗长得如此高效的原因。如果水稻以 C4 光合作用生长，将能在种植的短短几周内高耸于目前的水稻。研究人员计算出采用 C4 光合作用的水稻和小麦，每公顷产量约增加 50 ％，这将可能使用更少的水和肥料，生产出等量的粮食，希望能够解决面临气候变迁产生的粮食危机。
然而目前科学家遇到的困境是，尽管基因的改变后的水稻植株仍主要依靠自己平时光合作用的形式为主。为了让水稻能完全切换到新的光合作用模式，研究人员需要在细胞中进行更精确的安排。而新的基因组编辑方法，使科学家能够精确地修改植物基因组的部分，在植物当中一次进行几十个基因变化。轻松改变大量的基因，大幅改善了传统农业育种方式的缓慢与不足。
尽管这项先进的基因工程，超级光合作用 (Supercharged Photosynthesis)，要谈到真正能普遍嘉惠于农民身上，可能还需要经过数年的研发时间。当然重组植物进行光合作用的方法是很复杂的一件事了。但是一旦科学家们排除了所有这些 C4 光合作用技术的难题，许多作物包括小麦、马铃薯、番茄、苹果与大豆等，都可望加入快速生长的行列。当然，现今人们对于基改农作物还有许多的疑虑，不一定，基改农作物就是唯一的解决之道。无论如何，将来要怎么在气候变迁的难题威胁下，安全成功地解决粮食的来源，是值得人们深入探讨与思考的议题。
延伸阅读：野生稻米的全基因体定序首次完成 揭开稻米的演化过程
参考文献
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/
