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2015年11月10日  

2015-11-11 10:53:00|  分类: 杂谈 |  标签: |举报 |字号 订阅

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水稻、转基因与全球变暖都是大家关注的热点问题。如果说水稻和转基因之间能有密切关系,它们又怎么能和全球变暖搅在一起呢?

2015年7月《自然》杂志上发表了中国和瑞典科学家合作发表的一篇论文,报道了他们通过转基因水稻,开发出“减排增产”新型水稻的研究成果。

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水稻、转基因和全球变暖之间的纽带,叫做甲烷。

温室气体与全球变暖

我们居住的地球表面萦绕着一层大气。地球上的能量归根结底都来自于太阳。太阳光穿越太空来到地球,在穿过大气层的时候一部分热量被吸收,穿透了大气层的热量把地球表面加热或者被植物吸收 。到了晚上,地球吸收的热量又以红外线的方式散发出来。红外线的穿透能力不强,被大气层吸收而留下。环绕地球的大气层,就像温室的玻璃罩子一样,为地球留住了热量,使得地球上的昼夜温差还能为人类承受——据估计,如果没有这层大气,地球表面的夜间平均温度会低到零下十几度。

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大气层的这种作用就被称为“温室效应”。它对于热量的保留跟大气层中的气体种类和量有关。在历史上,大气的组成和量没有明显的变化,所以地球的温度也就没有明显的变化。

但是,随着地球上人口的增多,人类的工农业活动越来越多,排到大气中的气体也越来越多。也就是说,人类的活动改变着大气的组成,使得它吸收的热量越来越多,地球表面的温度也就越来越高。

这,就是备受关注的“全球变暖”。这些吸收热量的气体,就是“温室气体”。

甲烷与温室气体

温室气体中最大的组成部分是水蒸气。但是水蒸气与地球表面的水很容易实现转化与循环,它在大气中的含量相当稳定——也就是说,它虽然对温室效应贡献大,但是一直很稳定,也就没有对“全球变暖”产生影响。所以,一般情况下说到温室气体,都不把水蒸气包括进来。

水蒸气之外,最重要的温室气体是二氧化碳。随着人类工业的发展,排放的二氧化碳越来越多,超出了地球上的植物所能吸收的量。于是,大气中的二氧化碳含量逐渐升高,地球的温度也就逐渐升高。世界各国讨论的“减排”,主要就是针对二氧化碳的排放。由于二氧化碳的排放跟工业生产和与之相应的生活方式有关,所以二氧化碳成了众矢之的。

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除了二氧化碳,对全球变暖影响最大的温室气体是甲烷。跟二氧化碳相比,甲烷的量要小得多——二氧化碳占所有温室气体排放量的80%以上,而甲烷不到10%。但是,跟同样量的二氧化碳相比,甲烷吸收热量的能力要强得多。如果以100年为时间段来进行比较,同样量的甲烷吸收的热量是二氧化碳的21倍。甲烷在大气中的寿命比二氧化碳要短得多,大约是12年,所以如果以二十年为时间段来比较,那么甲烷吸收的热量是二氧化碳的几十倍(联合国气候变化框架公约估算的数字是56倍,世界观察研究所估算的数字是72倍)。

也就是说,甲烷虽少,但对全球变暖的影响却很大!

水稻与甲烷

排放到大气中的甲烷,一大来源是石油和天然气等现代工业,另一大来源是农牧业和垃圾处理——禽畜的呼吸、放屁以及粪便都会产生甲烷,而掩埋的垃圾也会逐渐释放甲烷。

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在农牧业中,水稻是甲烷排放的重要来源。水稻是世界主要的粮食作物之一,种植面积巨大。水稻吸收利用日光进行光合作用,把二氧化碳转化为蔗糖,传递到水稻的种子、茎叶和根中。水稻的根系存在于被水淹没的土壤中,水淹隔绝了空气,水稻根中的营养成分会渗出来,使得稻田成了厌氧细菌的乐园。其中有很多细菌新陈代谢会产生大量的甲烷,最后排放到大气中。

随着人口的增多,人类对粮食的需求越来越大。一方面需要增加种植面积,另一方面需要增加单位面积的产量。水稻种植技术的进步,“高产”是核心的方向。但高产往往伴随着密植和增加光合作用效率——产生的糖越多,也就可能有更多的糖传到根系中。

人类对大米的需求增加,也就意味着因为种植水稻而排放的甲烷增加。

转基因造就“高产低排”的新品种

人口剧增使得粮食问题成为全世界共同面临的挑战。在这种挑战面前,不大可能牺牲水稻的产量去解决甲烷排放的问题。那么,有没有既保持高产又降低甲烷排放的办法呢?

传统的育种和种植手段经过了各种努力,没有看到希望。作为新兴农业技术的转基因,能有办法吗?

根据水稻产生甲烷的机理,科学家们考虑:既然甲烷的产生跟运送到根部的蔗糖糖密切相关,如果能够改变蔗糖在水稻中的分配方式,减少运送到根部的量,是不是就可以减少甲烷的产生呢?

瑞典农业大学的孙传信发现大麦中存在着一个SUSIBA2基因,它编码的蛋白能够调控植物体内糖的代谢。如果在植物的某个组织中这个基因的表达水平比较高,那么就可以接收更多的蔗糖,从而转化出更多的淀粉。孙传信的研究组和福建省农科院的王锋研究组合作,把这个基因转到了水稻中,得到了两个成功的株系。在这两个转基因株系中,SUSIBA2基因在茎和种子中得到了高效的表达。2012年和2013年,这两个转基因株系与其相应的非转品种,在福州进行了温室试验。结果显示,其中一个株系在扬粉之前,甲烷排放量只有非转品种的10%,而扬粉之后28天(种子形成期),甲烷排放量只有非转品种的0.3%。为了验证这两个转基因品种对不同气候的适应性,2014年在广州、福州和南宁进行了田间试验,依然显示了显著的减排效果。

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进一步的分析显示,每棵转基因植株的种子干重平均约为24克,而相应的非转品种平均在16克左右。转基因株系的种子中淀粉含量达到了86.9%,而相应的非转品种是76.7%。对于粮食作物,这样的增加幅度是相当显著的了。相应地,转基因植株的根系干重平均不到80克,而相应的非转植株则超过了110克。这也说明,产量的增加是转入SUSIBA2基因的功劳——把许多本来要运往根部的糖“调控”到了种子中,增加了种子的产量,抑制了根系的重量;因为根的减少,渗出的营养成分也就减少了,那些依靠根系渗出的营养物繁衍生息的细菌们也就消停了许多。

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