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未来超级稻,若新品种成功或使产量提升50

来源:http://www.where2barreLrace.com 作者:威尼斯官方网站登录 时间:2019-10-05 19:26

人均耕地面积持续萎缩,杂交技术也臻于极致、进入瓶颈,研究人员不得不将粮食增产的希望寄于C4技术

人均耕地面积持续萎缩,杂交技术也臻于极致、进入瓶颈,研究人员不得不将粮食增产的希望寄于C4技术

2012年12月17日至19日,来自英、美、中等多个国家的17支科研团队汇聚于菲律宾马尼拉,在亚洲最大的国际农业科研机构——国际水稻研究所,参加一年一度的“C4年会”。与会者兴奋地发现:根据研究进度时间表,几乎可以肯定,三年之内能够实现双细胞碳4水稻的代谢原型,其不再仅仅是个“计划”。

2012年12月17日至19日,来自英、美、中等多个国家的17支科研团队汇聚于菲律宾马尼拉,在亚洲最大的国际农业科研机构——国际水稻研究所,参加一年一度的“C4年会”。与会者兴奋地发现:根据研究进度时间表,几乎可以肯定,三年之内能够实现双细胞碳4水稻的代谢原型,其不再仅仅是个“计划”。

四年前,这些科研团队组成了“国际C4水稻联盟”,希望将玉米中的高效光合作用机制,安装进水稻中,以提升水稻产量。这个新品种水稻被称为C4水稻。若C4水稻研发成功,它将减少化肥的使用,比传统水稻更适应干旱等恶劣环境,重要的是,可以使水稻增产50%。

四年前,这些科研团队组成了“国际C4水稻联盟”,希望将玉米(2445,2.00,0.08%)中的高效光合作用机制,安装进水稻中,以提升水稻产量。这个新品种水稻被称为C4水稻。若C4水稻研发成功,它将减少化肥的使用,比传统水稻更适应干旱等恶劣环境,重要的是,可以使水稻增产50%。

亚洲供应并消费着世界范围内90%的水稻,平均每公顷土地供养27人,这一数字到2050年,将是每公顷必须供养43人。在世界范围内,人均耕地面积在减少,平均每天约有2.5万人的死亡与饥饿相关。“土地耕种面积已经没有可能进一步增加,所以我们需要提高单产和耕种效率。”康奈尔大学农业生物技术支持计划第二期项目主任弗兰克·绍科斯基说。

亚洲供应并消费着世界范围内90%的水稻,平均每公顷土地供养27人,这一数字到2050年,将是每公顷必须供养43人。在世界范围内,人均耕地面积在减少,平均每天约有2.5万人的死亡与饥饿相关。“土地耕种面积已经没有可能进一步增加,所以我们需要提高单产和耕种效率。”康奈尔大学农业生物技术支持计划第二期项目主任弗兰克·绍科斯基(Frank Shotkoski)说。

探索新的增产途径成为科研工作者们努力的目标。国际水稻研究所计划,未来三年研制出C4水稻的原型。这离C4水稻真正研发成功还很远,至少需要15年。

探索新的增产途径成为科研工作者们努力的目标。国际水稻研究所计划,未来三年研制出C4水稻的原型。这离C4水稻真正研发成功还很远,至少需要15年。

虽然这项技术的研发还存在许多不确定性,中国工程院院士袁隆平在2012年9月的一次演讲中表示,C4技术将被融入第四期超级杂交水稻的研发,达到亩产1000公斤的目标。来自各国的研究者们相信,这是实现新一轮粮食增产的极有潜力的路径。

虽然这项技术的研发还存在许多不确定性,中国工程院院士袁隆平在2012年9月的一次演讲中表示,C4技术将被融入第四期超级杂交水稻的研发,达到亩产1000公斤的目标。来自各国的研究者们相信,这是实现新一轮粮食增产的极有潜力的路径。

杂种优势和形态改良是杂交水稻增产的两个核心路径。如今,科学家们几乎用尽了作物中所有与提高产量相关的有利基因,增产已接近极限。

改造水稻生理

2012年9月,湖南省溆浦、隆回等五个县的攻关田中,第三期超级杂交水稻终于成熟,专家组对其中三块田进行验收,平均亩产达到917.72公斤,实现了袁隆平六年前提出的“超级杂交稻第三期亩产900公斤攻关”设定的目标。

杂种优势和形态改良是杂交水稻增产的两个核心路径。如今,科学家们几乎用尽了作物中所有与提高产量相关的有利基因,增产已接近极限。

然而,受到研究人员精心照顾的试验田与实际农田存在不小差距。“第三期超级杂交水稻的产量潜力和适应性还有待进一步研究。目前我们推广的超级稻主要是二期。”湖南杂交水稻研究中心杂交水稻重点实验室常务副主任赵炳然说。

2012年9月,湖南省溆浦、隆回等五个县的攻关田中,第三期超级杂交水稻终于成熟,专家组对其中三块田进行验收,平均亩产达到917.72公斤,实现了袁隆平六年前提出的“超级杂交稻第三期亩产900公斤攻关”设定的目标。

包括杂交育种在内的传统育种方式,主要依靠挖掘水稻自身的有利性状达到增产目的。早在140多年前,奥地利植物学教师孟德尔将1英尺高的豌豆与6英尺高的豌豆进行杂交,种出的豌豆竟然都超过了6英尺的高度,这就是所谓的“杂种优势”。

然而,受到研究人员精心照顾的试验田与实际农田存在不小差距。“第三期超级杂交水稻的产量潜力和适应性还有待进一步研究。目前我们推广的超级稻主要是二期。”湖南杂交水稻研究中心杂交水稻重点实验室常务副主任赵炳然说。

杂交水稻相较于纯系水稻,产量可以提高15%-20%。上世纪60年代,美国植物病理学家诺曼·E·勃劳格通过利用作物的矮化基因,令小麦、玉米、水稻等农作物的茎干变短,使作物免于在风中折断,同时优化田中的光线分布,提高谷物产量。这种对植物形态的改良解决了世界数以亿计人口的粮食问题,勃劳格也因此获得了诺贝尔和平奖。

包括杂交育种在内的传统育种方式,主要依靠挖掘水稻自身的有利性状达到增产目的。早在140多年前,奥地利植物学教师孟德尔(Gregor Johann Mendel)将1英尺高的豌豆与6英尺高的豌豆进行杂交,种出的豌豆竟然都超过了6英尺的高度,这就是所谓的“杂种优势”。

“改良水稻有很多方向,如果集合在一起,也许会有一定效果,但很难再做到更大幅度的突破。”台湾国立嘉义大学讲座教授古森本表示,若杂交的种源依然是碳3水稻的话,增产很难突破20%的瓶颈。

杂交水稻相较于纯系水稻,产量可以提高15%-20%。上世纪60年代,美国植物病理学家诺曼·E·勃劳格(Norman E Borlaug)通过利用作物的矮化基因,令小麦(2597,24.00,0.93%)、玉米、水稻等农作物的茎干变短,使作物免于在风中折断,同时优化田中的光线分布,提高谷物产量。这种对植物形态的改良解决了世界数以亿计人口的粮食问题,勃劳格也因此获得了诺贝尔和平奖。

从1996年开始,“中国超级杂交水稻”项目使杂交水稻产量每五年就上一个新台阶,但袁隆平也意识到杂交水稻的瓶颈。他在2011年发表的文章《超级杂交稻的培育需要基因工程的加盟》中表示,未来若希望进一步增产,面对如何从生理上突破水稻光能利用率等关键瓶颈。文章提到,利用远缘有利基因是培育超级杂交稻的主要技术路线。“基因工程技术在水稻遗传育种中的巨大潜力将得到越来越多的显现,转基因水稻在生产上的大面积应用只是时间问题。”袁隆平写道。

“改良水稻有很多方向,如果集合在一起,也许会有一定效果,但很难再做到更大幅度的突破。”台湾国立嘉义大学讲座教授古森本表示,若杂交的种源依然是碳3水稻的话,增产很难突破20%的瓶颈。

袁隆平团队已宣布C4技术将被融入第四期超级杂交水稻研发中。在农作物中,玉米、高粱等为C4植物,水稻、小麦等皆为C3植物。目前主要的粮食作物多为C3植物。

从1996年开始,“中国超级杂交水稻”项目使杂交水稻产量每五年就上一个新台阶,但袁隆平也意识到杂交水稻的瓶颈。他在2011年发表的文章《超级杂交稻的培育需要基因工程的加盟》中表示,未来若希望进一步增产,面对如何从生理上突破水稻光能利用率等关键瓶颈。文章提到,利用远缘有利基因是培育超级杂交稻的主要技术路线。“基因工程技术在水稻遗传育种中的巨大潜力将得到越来越多的显现,转基因水稻在生产上的大面积应用只是时间问题。”袁隆平写道。

C4光合作用机制是由C3植物在适应恶劣环境中进化而来。研究人员推测,大约在1000万年以前,水和二氧化碳的缺乏,使得C3植物不得不进化出更高效的C4光合作用机制。C4有一个秘密武器:二氧化碳浓缩机制。该机制包括C4代谢物穿梭机制及独特的花环结构,两者合作促使C4植物获得更高的光能利用效率,从而实现增产。

袁隆平团队已宣布C4技术将被融入第四期超级杂交水稻研发中。在农作物中,玉米、高粱等为C4植物,水稻、小麦等皆为C3植物。目前主要的粮食作物多为C3植物。

研究者们相信,人类可以帮助水稻“进化”出C4光合作用机制。“这需要运用转基因实现发育调控,是最高水平的转基因工作。”中科院遗传与发育研究所发育生物学研究中心高级工程师姜韬说。

C4光合作用机制是由C3植物在适应恶劣环境中进化而来。研究人员推测,大约在1000万年以前,水和二氧化碳的缺乏,使得C3植物不得不进化出更高效的C4光合作用机制。C4有一个秘密武器:二氧化碳浓缩机制。该机制包括C4代谢物穿梭机制及独特的花环结构,两者合作促使C4植物获得更高的光能利用效率,从而实现增产。

在上世纪90年代,古森本将玉米中的一种光合作用酶的基因导入水稻中,使水稻的光合作用效率得到部分提高。虽然还远不及C4植物的水平,但是证明了玉米中与光合作用相关的基因可以在水稻中表达。“当时大家都不相信这个可行。”古森本说。

研究者们相信,人类可以帮助水稻“进化”出C4光合作用机制。“这需要运用转基因实现发育调控,是最高水平的转基因工作。”中科院遗传与发育研究所发育生物学研究中心高级工程师姜韬说。

2000年初,古森本将玉米中两个酶——PEPC和PPDK的基因整合进水稻中,并将这个水稻品种交给了袁隆平,以及安徽省农业科学院水稻研究所焦德茂团队、江苏省农业科学院遗传生理研究所李成荃团队,希望运用杂交的方式,产生既保留玉米基因,又适合中国环境的水稻。“根据2011年5月的报告,田间的产量可以增加15%-20%。”古森本说。

在上世纪90年代,古森本将玉米中的一种光合作用酶的基因导入水稻中,使水稻的光合作用效率得到部分提高。虽然还远不及C4植物的水平,但是证明了玉米中与光合作用相关的基因可以在水稻中表达。“当时大家都不相信这个可行。”古森本说。

古森本计划,在2013年,使水稻表达六种玉米的光合作用酶的基因,完成一期C4水稻。

2000年初,古森本将玉米中两个酶——PEPC和PPDK的基因整合进水稻中,并将这个水稻品种交给了袁隆平,以及安徽省农业科学院水稻研究所焦德茂团队、江苏省农业科学院遗传生理研究所李成荃团队,希望运用杂交的方式,产生既保留玉米基因,又适合中国环境的水稻。“根据2011年5月的报告,田间的产量可以增加15%-20%。”古森本说。

C4联盟也在2012年刚刚结束的一期项目中,鉴定出形成C4光合作用机制的核心基因,以及控制花环结构的目标基因。在这个过程中,中科院上海生命科学研究院研究员朱新广带领的团队致力于鉴定C4原型所必需的所有核心元件,及设计其最佳配合方式。在一期中,该团队鉴定出了C4光合系统运作必需的转运蛋白。

古森本计划,在2013年,使水稻表达六种玉米的光合作用酶的基因,完成一期C4水稻。

现在,C4联盟已经将主要C4代谢酶转入水稻。同时,在控制花环结构的重要基因方面,也取得了进展。

C4联盟也在2012年刚刚结束的一期项目中,鉴定出形成C4光合作用机制的核心基因,以及控制花环结构的目标基因。在这个过程中,中科院上海生命科学研究院研究员朱新广带领的团队致力于鉴定C4原型所必需的所有核心元件,及设计其最佳配合方式。在一期中,该团队鉴定出了C4光合系统运作必需的转运蛋白。

第一批C4水稻研究者将焦点投在酶上,却始终得不到理想的试验结果。直至研究者们意识到,花环结构是C4光合作用提高光能利用效率的关键因素,而这在以往的C4工程改造中没有涉及。

现在,C4联盟已经将主要C4代谢酶转入水稻。同时,在控制花环结构的重要基因方面,也取得了进展。

“这好比运作一个大工厂,酶是机器。若要提高生产效率,就需要一定数量的按规律排列的机器。与此同时,也需要安排好放置机器的房间。而这些房间就是植物中的叶肉细胞、维管束鞘细胞。”多伦多大学生态学及进化生物学教授罗温·塞格说。

“花环”难题

显微镜下的C4植物叶片切片中,排列着一个个圆环,这些圆环由维管束鞘细胞排列组成。由于形状很像花环,因此用德文Kranz命名。C3植物的维管束鞘细胞内因缺少叶绿体,显得干瘪且不规则。

第一批C4水稻研究者将焦点投在酶上,却始终得不到理想的试验结果。直至研究者们意识到,花环结构是C4光合作用提高光能利用效率的关键因素,而这在以往的C4工程改造中没有涉及。

C3植物仅在叶肉细胞中完成光合作用,C4植物却同时在叶肉细胞、维管束鞘细胞两个细胞中工作。

“这好比运作一个大工厂,酶是机器。若要提高生产效率,就需要一定数量的按规律排列的机器。与此同时,也需要安排好放置机器的房间。而这些房间就是植物中的叶肉细胞、维管束鞘细胞。”多伦多大学生态学及进化生物学教授罗温·塞格(Rowan F Sage)说。

维管束鞘细胞可以保护光合作用的核心酶——Rubisco少受O2的影响,同时,可使被源源输入的CO2免于泄漏,进而形成一个“高压CO2舱”,也增加了CO2的利用率。

显微镜下的C4植物叶片切片中,排列着一个个圆环,这些圆环由维管束鞘细胞排列组成。由于形状很像花环,因此用德文Kranz命名。C3植物的维管束鞘细胞内因缺少叶绿体,显得干瘪且不规则。

可见,高效的C4途径需要两种光合作用细胞间有序分工、密切合作,使光合作用酶最大程度地发挥作用,提高光能、氮素利用效率,减少水和能量的浪费。

C3植物仅在叶肉细胞中完成光合作用,C4植物却同时在叶肉细胞、维管束鞘细胞两个细胞中工作。

C4水稻项目及其他相关研究团队,计划将更大的精力投放在对花环结构的研究上。要在4.5万个玉米基因中锁定控制花环结构的核心基因,犹如大海捞针。塞格预计,需要改变数十个到数百个基因,才可以将玉米的光合系统组装进水稻,“我们尚没有技术可以同时转移如此多的基因。”

维管束鞘细胞可以保护光合作用的核心酶——Rubisco少受O2的影响,同时,可使被源源输入的CO2免于泄漏,进而形成一个“高压CO2舱”,也增加了CO2的利用率。

每一个参与C4水稻研究的人都知道,这是一项漫长的工作。澳洲国立大学医学院环境生物学教授苏珊娜·凯米尔(Susanne von Caemmerer)在《科学》杂志上撰文表示,“我们预期未来三年获得C4水稻的原型,然而,距离C4水稻走入田间,还需要进行15年的完善。”

可见,高效的C4途径需要两种光合作用细胞间有序分工、密切合作,使光合作用酶最大程度地发挥作用,提高光能、氮素利用效率,减少水和能量的浪费。

研究者普遍预测,C4水稻研究成功,有可能使水稻产量提升50%。但C4水稻研究绝非一个便宜的项目。

C4水稻项目及其他相关研究团队,计划将更大的精力投放在对花环结构的研究上。要在4.5万个玉米基因中锁定控制花环结构的核心基因,犹如大海捞针。塞格预计,需要改变数十个到数百个基因,才可以将玉米的光合系统组装进水稻,“我们尚没有技术可以同时转移如此多的基因。”

国际水稻研究所2012年在官网上公布,其与英国政府、比尔及梅琳达·盖茨基金会拨款1400万美元来支持未来三年的C4水稻项目。这个数字接近研究人员的预期,国际水稻研究所C4联盟协调员保罗·科维克估计, C4水稻研究项目每年需要科研经费500万美元。C4水稻的研究需要15年到20年,由此推算,未来的科研经费需要7000万美元到1亿美元,这还不包括后期的安全性评估。

每一个参与C4水稻研究的人都知道,这是一项漫长的工作。澳洲国立大学医学院环境生物学教授苏珊娜·凯米尔(Susanne von Caemmerer)在《科学》杂志上撰文表示,“我们预期未来三年获得C4水稻的原型,然而,距离C4水稻走入田间,还需要进行15年的完善。”

作为该技术的主要支持者之一, BMGF已经给予C4联盟一期研究约1100万美元的资助。在2012年开始启动二期研究时,英国国际发展署也加入了资助的行列。就连对转基因技术一向保守的欧盟,也联合科研界以及商界,设立了为期五年的“3到4”项目,希望通过C3转C4光合作用,发展可持续性农业。

C4水稻未来

“这个项目非常有前途。C4水稻有潜力减少水、化肥的使用,同时,显着提升产量,从而保障世界上数以亿计的以水稻为主食的穷人的食物安全。” BMGF副发言人艾米·恩莱特说。

研究者普遍预测,C4水稻研究成功,有可能使水稻产量提升50%。但C4水稻研究绝非一个便宜的项目。

水稻只是目前研究的载体,若C4水稻研发成功,研究人员可以遵循相似的原理改造小麦、大豆等一系列C3作物。按照塞格的观点,这项投资很合算,“根据我们的计算,若这项技术取得成功,30年的时间,C4再造技术的投资回报率将达到100倍或者1000倍。”

国际水稻研究所2012年在官网上公布,其与英国政府、比尔及梅琳达·盖茨基金会拨款1400万美元来支持未来三年的C4水稻项目。这个数字接近研究人员的预期,国际水稻研究所C4联盟协调员保罗·科维克(Paul Quick)估计, C4水稻研究项目每年需要科研经费500万美元。C4水稻的研究需要15年到20年,由此推算,未来的科研经费需要7000万美元到1亿美元,这还不包括后期的安全性评估。

这项研究的怀疑者则不这么看,在大自然中,一个植物从C3到C4的进化几千年才能完成。“通过人为的方式是否能解决这个问题?此前,有人希望将豆科植物的固氮机制转移到玉米里,就不再需要豆科植物和玉米的轮作。我听说这个事情的时候,是在上世纪80年代,但到现在都没什么突破性的成果。”吉林省农业科学院农业生物技术研究所研究员郝东云说,“我们对于C3、C4基因调控机制的了解还不完善,现在对C4水稻的研究只是一种摸索。”

作为该技术的主要支持者之一, BMGF已经给予C4联盟一期研究约1100万美元的资助。在2012年开始启动二期研究时,英国国际发展署也加入了资助的行列。就连对转基因技术一向保守的欧盟,也联合科研界以及商界,设立了为期五年的“3到4”项目,希望通过C3转C4光合作用,发展可持续性农业。

另外,研究者们也无法肯定光合作用机制的改变,是否会影响稻米的口感,或者使其营养成分等发生变化。

“这个项目非常有前途。C4水稻有潜力减少水、化肥的使用,同时,显着提升产量,从而保障世界上数以亿计的以水稻为主食的穷人的食物安全。” BMGF副发言人艾米·恩莱特(Amy Enright)说。

朱新广坚持认为,对C4植物的研究由单纯的导入酶扩展到改变植物的细胞结构之后,研究前景就完全不同。现在,他和山东师范大学、中科院植物所等机构的多位研究人员,协同开展研究,以尽快推进中国C4改造事业。

水稻只是目前研究的载体,若C4水稻研发成功,研究人员可以遵循相似的原理改造小麦、大豆(4731,1.00,0.02%)等一系列C3作物。按照塞格的观点,这项投资很合算,“根据我们的计算,若这项技术取得成功,30年的时间,C4再造技术的投资回报率将达到100倍或者1000倍。”

恩莱特也明确地告诉《财经》记者,所有受到资助的人,都需要建立“全球使用权计划”,即确保这些技术可以提供给所有需要它的人。受资助者必须承诺,所有产品,比如改良的稻米品种,必须以可被接受的价格提供给那些需要帮助的人。

这项研究的怀疑者则不这么看,在大自然中,一个植物从C3到C4的进化几千年才能完成。“通过人为的方式是否能解决这个问题?此前,有人希望将豆科植物的固氮机制转移到玉米里,就不再需要豆科植物和玉米的轮作。我听说这个事情的时候,是在上世纪80年代,但到现在都没什么突破性的成果。”吉林省农业科学院农业生物技术研究所研究员郝东云说,“我们对于C3、C4基因调控机制的了解还不完善,现在对C4水稻的研究只是一种摸索。”

就目前看,民众对转基因食品安全性充满了忧虑,这给未来C4稻米品种的研究或种植亦带来了不确定性。

另外,研究者们也无法肯定光合作用机制的改变,是否会影响稻米的口感,或者使其营养成分等发生变化。

BMGF在一份研究报告中表示,民众的担忧是可以理解的,但是,仍有六条理由使得基金会对转基因技术保持资助。其中包括尚未有科学研究确定转基因技术对人体或环境有害。

朱新广坚持认为,对C4植物的研究由单纯的导入酶扩展到改变植物的细胞结构之后,研究前景就完全不同。现在,他和山东师范大学、中科院植物所等机构的多位研究人员,协同开展研究,以尽快推进中国C4改造事业。

致力于转基因技术推广工作的绍科斯基乐观地认为,待C4水稻研发成功的时候,也就是15年以后,转基因产品或已成为常规食品,在市场上销售。而转基因技术会同传统育种技术一并带动下一次“绿色革命”的到来。《财经》记者 许竞 凌馨

恩莱特也明确地告诉《财经》记者,所有受到资助的人,都需要建立“全球使用权计划”(global access plans),即确保这些技术可以提供给所有需要它的人。受资助者必须承诺,所有产品,比如改良的稻米品种,必须以可被接受的价格提供给那些需要帮助的人。

就目前看,民众对转基因食品安全性充满了忧虑,这给未来C4稻米品种的研究或种植亦带来了不确定性。

BMGF在一份研究报告中表示,民众的担忧是可以理解的,但是,仍有六条理由使得基金会对转基因技术保持资助。其中包括尚未有科学研究确定转基因技术对人体或环境有害。

致力于转基因技术推广工作的绍科斯基乐观地认为,待C4水稻研发成功的时候,也就是15年以后,转基因产品或已成为常规食品,在市场上销售。而转基因技术会同传统育种技术一并带动下一次“绿色革命”的到来。

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