降低化肥使用，提升作物產量，生物技術突破有望推動新一輪“綠色革命”|科技創新世界潮
發布時間：2022/8/23 9:22:08編輯：Ma Liang
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近年來，一系列農作物生物技術取得突破，這些技術有望提高農作物產量，降低農業對環境的影響，幫助人們應對未來的氣候變化，為不斷增長的人口提供更好的營養，預示著一場新的“綠色革命”到來。
高產新小麥品種催生第一次“綠色革命”
第一次“綠色革命”出現于20世紀60年代，隨著一系列科學技術進步的出現，糧食產量與日俱增。其中最引人注目的是美國農學家諾曼·博洛格成功培育出高產抗病的半矮稈小麥品種，這種小麥使谷物產量增加了一倍多，成為應對世界糧食危機的關鍵。這項農業技術的推廣，被稱為“綠色革命”。
隨后，其他作物育種家在博洛格的基礎上更進一步，提高了其他主要谷物的產量。自1961年以來，全球谷物產量增長了400%，而世界人口增長了260%。博洛格因其成就于1970年獲得諾貝爾和平獎。
博洛格歷經20年艱巨的雜交工作培育出高產抗病的小麥品種。今天，作物育種家正在現代生物技術工具的加持下，顯著提高作物產量、耐受干旱以及對抗病蟲害的能力。
新技術大幅減少氮肥使用量
在第一次“綠色革命”時期，農作物需要增加化肥施用量才能獲得更高的產量。但有些肥料會對生態環境產生不利影響。
例如，農作物未吸收的氮和其他肥料流經地表會刺激河流、湖泊和沿海地區中有害藻類的生長。過量的氮肥會被土壤細菌分解，導致大氣中二氧化氮的濃度不斷上升，二氧化氮導致全球變暖的“威力”是二氧化碳的300倍。此外，利用大氣氮生產工業氨是能源密集型產業，預計到2050年，氮肥的生產將消耗全球能源的2%。
好消息是，兩個現代植物育種團隊取得重大突破，將大幅減少農作物生產所需的氮肥量。
今年7月，中國研究人員在《科學》雜志報告稱，基因OsDREB1C在水稻中猶如一個“分子開關”，可以顯著提高水稻的光合作用和氮素利用效率。進一步的田間試驗證明，在水稻品種中增強表達這種基因，可使水稻產量提高30%以上，氮素利用效率提高25%以上。而且，本次發現的關鍵基因不只限于水稻內，還廣泛存在于玉米、小麥等作物基因組中。
氮對植物生長至關重要，但植物不能直接將空氣中的氮氣轉化為它們可以利用的形式�；ㄉ痛蠖沟榷诡愔参镉懈�，可以利用固氮細菌為植物提供氮肥。水稻和小麥等谷物植物則沒有這種能力，必須依靠從土壤中的肥料中吸收無機氮，例如氨和硝酸鹽。
今年7月，美國加州大學戴維斯分校一組研究人員報告稱，他們成功地對水稻品種進行基因編輯，使其根部適合固氮細菌。因此，當在有限的土壤氮條件下生長時，基因編輯品種的水稻產量會比常規品種高20%至35%。相關研究刊發于《植物生物技術雜志》。
研究人員表示，這一發現每年可為美國農民節省數十億美元的化肥成本，同時也有益于環境。他們相信，這一基因編輯技術可以應用于其他谷物作物。
利用動物肥胖基因讓植物“增肥”
據美國《理性》雜志報道，來自北京大學、貴州大學以及美國芝加哥大學研究團隊利用動物肥胖基因讓植物“增肥”�？茖W家們將動物肥胖基因FTO轉入到水稻細胞中，用它來控制基因表達，以提高農作物產量。具體來說，就是將FTO基因片段搭載于環狀DNA，通過根癌農桿菌侵染植物細胞。FTO基因在水稻細胞中表達的蛋白，可以擦除RNA甲基化修飾m6A，并且影響相關RNA功能表達。
在實驗室條件下，新品種水稻的產量是原來的3倍。田間試驗中植株的質量提高了50%，產量也提高了50%。而且作物的根更長，光合作用更有效，能夠更好地抵御干旱的壓力。
重要的是，這項技術在水稻和馬鈴薯植株上取得了相似的結果，而這兩種作物并不特別密切相關。這表明，這一基因可以在廣泛的植物中發揮作用，相關研究刊發于《自然·生物技術》雜志。
《理性》雜志在報道中指出，這場由新生物技術推動的“綠色革命”預示著一個未來——使用更少的肥料提升農作物產量，最終獲得更多糧食，這有助農田恢復，減少水污染及溫室氣體排放。
高產新小麥品種催生第一次“綠色革命”
第一次“綠色革命”出現于20世紀60年代，隨著一系列科學技術進步的出現，糧食產量與日俱增。其中最引人注目的是美國農學家諾曼·博洛格成功培育出高產抗病的半矮稈小麥品種，這種小麥使谷物產量增加了一倍多，成為應對世界糧食危機的關鍵。這項農業技術的推廣，被稱為“綠色革命”。
隨后，其他作物育種家在博洛格的基礎上更進一步，提高了其他主要谷物的產量。自1961年以來，全球谷物產量增長了400%，而世界人口增長了260%。博洛格因其成就于1970年獲得諾貝爾和平獎。
博洛格歷經20年艱巨的雜交工作培育出高產抗病的小麥品種。今天，作物育種家正在現代生物技術工具的加持下，顯著提高作物產量、耐受干旱以及對抗病蟲害的能力。
新技術大幅減少氮肥使用量
在第一次“綠色革命”時期，農作物需要增加化肥施用量才能獲得更高的產量。但有些肥料會對生態環境產生不利影響。
例如，農作物未吸收的氮和其他肥料流經地表會刺激河流、湖泊和沿海地區中有害藻類的生長。過量的氮肥會被土壤細菌分解，導致大氣中二氧化氮的濃度不斷上升，二氧化氮導致全球變暖的“威力”是二氧化碳的300倍。此外，利用大氣氮生產工業氨是能源密集型產業，預計到2050年，氮肥的生產將消耗全球能源的2%。
好消息是，兩個現代植物育種團隊取得重大突破，將大幅減少農作物生產所需的氮肥量。
今年7月，中國研究人員在《科學》雜志報告稱，基因OsDREB1C在水稻中猶如一個“分子開關”，可以顯著提高水稻的光合作用和氮素利用效率。進一步的田間試驗證明，在水稻品種中增強表達這種基因，可使水稻產量提高30%以上，氮素利用效率提高25%以上。而且，本次發現的關鍵基因不只限于水稻內，還廣泛存在于玉米、小麥等作物基因組中。
氮對植物生長至關重要，但植物不能直接將空氣中的氮氣轉化為它們可以利用的形式�；ㄉ痛蠖沟榷诡愔参镉懈�，可以利用固氮細菌為植物提供氮肥。水稻和小麥等谷物植物則沒有這種能力，必須依靠從土壤中的肥料中吸收無機氮，例如氨和硝酸鹽。
今年7月，美國加州大學戴維斯分校一組研究人員報告稱，他們成功地對水稻品種進行基因編輯，使其根部適合固氮細菌。因此，當在有限的土壤氮條件下生長時，基因編輯品種的水稻產量會比常規品種高20%至35%。相關研究刊發于《植物生物技術雜志》。
研究人員表示，這一發現每年可為美國農民節省數十億美元的化肥成本，同時也有益于環境。他們相信，這一基因編輯技術可以應用于其他谷物作物。
利用動物肥胖基因讓植物“增肥”
據美國《理性》雜志報道，來自北京大學、貴州大學以及美國芝加哥大學研究團隊利用動物肥胖基因讓植物“增肥”�？茖W家們將動物肥胖基因FTO轉入到水稻細胞中，用它來控制基因表達，以提高農作物產量。具體來說，就是將FTO基因片段搭載于環狀DNA，通過根癌農桿菌侵染植物細胞。FTO基因在水稻細胞中表達的蛋白，可以擦除RNA甲基化修飾m6A，并且影響相關RNA功能表達。
在實驗室條件下，新品種水稻的產量是原來的3倍。田間試驗中植株的質量提高了50%，產量也提高了50%。而且作物的根更長，光合作用更有效，能夠更好地抵御干旱的壓力。
重要的是，這項技術在水稻和馬鈴薯植株上取得了相似的結果，而這兩種作物并不特別密切相關。這表明，這一基因可以在廣泛的植物中發揮作用，相關研究刊發于《自然·生物技術》雜志。
《理性》雜志在報道中指出，這場由新生物技術推動的“綠色革命”預示著一個未來——使用更少的肥料提升農作物產量，最終獲得更多糧食，這有助農田恢復，減少水污染及溫室氣體排放。
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