美国科学家最新研究发现，超级计算机与基因工程可以帮助农作物提高将阳光转化为能量的能力，此举有望解决迫在眉睫的粮食短缺问题。该成果发表在3月26日的《细胞》杂志上。

“光合作用远未达到其最大理论效率。”论文第一作者、美国伊利诺伊大学香槟分校的植物生物学家Stephen Long表示。超级计算机的快速发展可以允许科学家对光合作用过程中的每一个阶段进行模拟，确定并改进植物生长中的瓶颈问题。

不过，Long也补充道，如果想要通过这些复杂的遗传操作，如精炼光合作用过程来提高产量，更多的科学研究仍需继续深入。

“目前我们实验室里发现的任何东西，20~30年里不会出现在农民的地里。”Long说，“如果到时候我们才发现存在危机，那就太晚了。”

该论文认为，预计到2050年，全世界将比2013年多需要85%的主粮作物。这预示着，随着遗传改良的传统方法达到生物极限，从上个世纪末开始的绿色革命带来的产量收益面临着停滞不前的困境。

相反，水稻和小麦等作物光合作用中较为常见的C3，可以升级到更有效的C4。而C4过程常见于玉米、高粱和甘蔗等作物。

研究人员称，另一种提高光合作用的办法可能隐藏在作物生长所需的光谱中。某些藻类和细菌具有处理近红外光的能力。这种能力可以切实地用在作物基因工程上。

Long主持的实验室在一份即将发表的论文中证明，将一种光合细菌——蓝藻的基因嵌入作物植物中，可以提高其30%的光合作用效率。另一个项目则正在尝试着将水稻从C3提升至C4。

论文确认了两个主要步骤来获得这一结论。首先是技术，能够使研究人员完成将基因嵌入到基因组中目标部分的技术，必须从微生物技术转化为植物生物技术。其次是作物植物现有的部分计算机模型必须整合成完整的拟态。

论文作者表示，遗传的改良也必须与耕作方式的改进同时进行。Long指出，绿色革命获得的产量收益中只有一半是提高作物遗传潜力的结果。“另外一大块来自于为这些遗传改良搭配上合适的农业技艺。”

伊利诺伊大学香槟分校的另一位植物生物学家Evan DeLucia评价道，这项研究还在进行中，但在极有可能受未来粮食短缺影响的发展中国家，它会成为最受关注的技术。

“假如没有令人难以置信的投资，他们正在做的工作是不可能实现的。”他说，“如何向撒哈拉沙漠以南非洲的农民进行技术讲解，也是一个极具开放性的问题。”

DeLucia补充道，提高光合作用速率的同时，也会给已经遭受全球变暖威胁的水资源带来压力，因为这个技术过程需要水。“在大量用水变得受限的地方，很快就会碰触到水的‘天花板’。”他解释说。

Long坦陈，这种做法不太可能解决粮食生产的地域差异。但他认为，在水资源不成问题的地区使作物产量最大化，仍可以有助于缓解全球粮食短缺。（来源：中国科学报 王方编译）

Meeting the Global Food Demand of the Future by Engineering Crop Photosynthesis and Yield Potential

Abstract  Increase in demand for our primary foodstuffs is outstripping increase in yields, an expanding gap that indicates large potential food shortages by mid-century. This comes at a time when yield improvements are slowing or stagnating as the approaches of the Green Revolution reach their biological limits. Photosynthesis, which has been improved little in crops and falls far short of its biological limit, emerges as the key remaining route to increase the genetic yield potential of our major crops. Thus, there is a timely need to accelerate our understanding of the photosynthetic process in crops to allow informed and guided improvements via in-silico-assisted genetic engineering. Potential and emerging approaches to improving crop photosynthetic efficiency are discussed, and the new tools needed to realize these changes are presented.

原文链接：http://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(15)00306-2?_returnURL=http%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867415003062%3Fshowall%3Dtrue