翻译｜仇艳菲
2022年6月，当一场酷热的热浪席卷美国伊利诺伊州时，作物生理学家凯瑟琳·米查姆-亨索尔德（Katherine Meacham-Hensold）期盼着，她的团队新研发的转基因土豆品种能在热浪中存活下来。令人惊喜的是，土豆不仅活得很好且长势喜人。根据《全球变化生物学》（Global Change Biology）杂志上的一项最新研究，在相同的生长条件下，这种土豆植株的红色块茎产量会比普通土豆植株高出30%。
“这项研究尤其值得关注，因为它显示的是一种主要粮食作物能在田间环境中带来真实的收益，”英国牛津大学的生物化学家爱德华·史密斯（Edward Smith，并未参与这项研究）表示，“我们没有理由不将这种技术应用于其他更多的作物。”
为了改造土豆植株，任职于美国伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校的米查姆-亨索尔德和同事专注研究了一种名为光呼吸（photorespiration）的植物生理过程，在大部分植物中，其会导致光合作用的效率降低。光呼吸的产生是因为关键的光合作用酶RuBisCO受到干扰。正常情况下，RuBisCO需要与二氧化碳结合才能完成光合作用，但其有大约25%的时间会错误地与氧气结合，开始产生一种抑制光合作用的有毒副产物（磷酸乙醇酸）。受高温的影响，作物中这种低效、错误的过程会变得愈发频繁，这可能会使作物产量降低多达50%。
他们将一个基因插入到了转基因土豆植株的细胞核中，使其可以产生一种蛋白质。这种蛋白质会转移到叶绿体中，分解有毒副产物。这样叶绿体就无需再将副产物转移到其他细胞器中，可以节省能量。
2022年，当试验田中的转基因土豆进入生长季时，伊利诺伊州遭遇了一场极端热浪，连续四天气温超过95华氏度（约35摄氏度）。不过这种土豆植株由于拥有新基因，产量提高近三分之一。这种基因还可以继续遗传给下一代。米查姆-亨索尔德说，“我们对这一结果十分震惊。”她补充说，在农业工程研究中，光合作用过程是一个具有潜力的靶点，通过影响这样的过程，我们可以在不增加土地使用和化肥的情况下提高作物产量。史密斯表示，这些结果令人兴奋，但他希望看看这种植株在未来数个种植季的表现。
新方法有可能帮助农作物适应气候变化。虽然类似的策略曾在水稻中使用过，但这项研究首次证明这种方法不会降低粮食作物的营养价值。接下来，他们会将这种方法应用于大豆和豇豆。米查姆-亨索尔德提到，在非洲国家，豇豆是一种极其重要的粮食安全作物。另外，一种经过相同基因改良的高产大豆品种将在今年开展田间种植。
本文选自《环球科学》2025年03月刊“前沿”栏目。
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