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新型转基因水稻既高产又环保

水稻是全球超过半数人口的主要能量来源,对于人类的粮食安全有着举足轻重的影响。然而,水稻的生长过程每年会释放超过一亿吨甲烷气体,贡献了全球17%的甲烷(温室气体)的释放量。来自中国福建农科院、中国湖南农业大学、瑞典农业大学和美国太平洋西北国家实验室的联合课题组近期在《Nature》刊文称,通过转基因增加一个基因SUSIBA2,可以让水稻基本上不释放甲烷而更加环保,而且淀粉合成量增加,导致食物含有的能量更多。

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大气中甲烷是继二氧化碳之后的第二大温室气体,对气候变暖的“贡献”占到20%。而水稻是因为人类活动而导致的第二大甲烷释放源。水稻引起的甲烷释放,是因为水稻是需要大量灌溉水的作物,水稻的根本被淤泥和水覆盖,水稻根部产生了热量和一些营养物质,这为产甲烷的产生提供了非常好的条件,这就导致了水稻会产生了7-17%的甲烷量,每年甲烷的排放量在两千五百万到一亿吨。


随着人口增加和粮食需求增加,水稻的扩大栽培会继续恶化这个问题,导致更多的甲烷排放进入大气。而科学家一直试图找到转基因方法使得水稻减少甲烷释放,并且提供淀粉的合成或者聚集量,但是同时有这两个特性非常困难。


来自中国、美国和瑞典的联合课题组,首次成功研发出了第一种转基因水稻,可以同时减少甲烷释放量和提高稻谷颗粒淀粉含量。其中的关键基因是大麦中的糖信号分子(Sugar signalling in barley 2,SUSIBA2)。SUSIBA2是一种只存在于植物的转录因子,参与调节糖分子诱导的基因表达,因而可能参与了能量分子从合成到固定下来的信号通路。过量表达SUSIBA2可以导致植物更高的淀粉合成和沉积量,因此,如果在水稻叶子和茎秆中过量表达SUSIBA2,可能会增加植株地上部分的淀粉合成量以及在稻穗中的沉积,并且减少甲烷的释放量。


两个稳定的转基因SUSIBA2水稻株被选择出来,分别命名为SUSIBA2-77 和 SUSIBA2-80。其中SUSIBA2-77和其对照组(日本晴水稻)在2012年和2013年夏天在中国福州栽培实验。实验结果发现,水稻开花期前,SUSIBA2-77的甲烷释放量降低到了10%,开花后28天,甲烷释放量降为了0.3%。而且测序分析发现,甲烷释放减少确实与SUSIBA2基因相关,而不是随机插入基因组导致的。


2014年秋季在中国福州、广州和南宁三地又栽培了SUSIBA2-77 和 SUSIBA2-80发现,这两种有相似的甲烷释放规律,即在早上甲烷释放量高于全天其他时间,这样正好验证了SUSIBA2可以控制糖代谢,夏天和白天太阳很大的时候SUSIBA2基因活性也很强,这时候甲烷释放量会降低很多。科研人员还将继续分析这个转基因为什么会导致甲烷的释放减少,他们希望得到更加具体的分子机制。


在全球变暖的大背景下,温度升高导致整个生态圈(包括水稻)的甲烷释放量都会增加,这又反过来会加剧全球变暖的进程。这个SUSIBA2的转基因水稻,则能够很好地完成碳固定和再分配,导致释放进入大气的碳减少,而富集在种子(稻穗)和地上部分(茎秆和叶子),这对于同时保障粮食产量和减少温室气体排放都有重要意义。水稻地上部分的生物量增加,又可以作为生物质燃料的原料,为人们提供更多的能源选择。因此,SUSIBA2转基因水稻的安全性验证如果能够通过的话,那么对于人类的可持续发展将具有重要意义。


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