客观日本

培育节水耐旱小麦,变干旱地区为世界粮仓

2019年06月24日 农林牧渔
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联合国世界粮食计划署(WFP)等2019年4月发布的报告显示,全球有1.1亿以上的人处于饥饿状态。除了全球人口的增长因素,地球变暖导致的全球规模的沙漠化和干旱也加剧了粮食短缺。有预测显示,到2100年,全球干燥地带将占到全球陆地总面积的56%,在此情况下,作为应对干燥和粮食短缺对策而备受期待的,是能有效利用水资源的“节水耐旱小麦”。本文就为大家介绍正努力开发节水耐旱小麦的、宇都宫大学生物科学教育研究中心助教冈本昌宪先生的研究。

培育节水耐旱小麦,变干旱地区为世界粮仓

全球小麦消费量在不断增加

小麦、水稻和玉米被称为世界三大谷物,是人类赖以生存的重要粮食。随着农业技术的进步和作物品种改良,粮食作物的产量虽然增加了,但无法充分确保农业用水的干燥地带也持续扩大。随着全球人口的增加和干燥地带的扩大,粮食短缺问题日益严重。

冈本介绍了研究节水耐旱小麦的意义,他说:“目前大约有40%的陆地属于干燥地区,这些地区居住着全球约35%的人口,而干燥地带目前仍在持续扩大之中。如果能开发出在缺水地区也可以良好生长的小麦,就能增加粮食产量”。

冈本选中小麦的理由之一是因为小麦的需求量在不断增加。原因除了地球人口的持续增长外,还包括以前不吃小麦的人也开始食用小麦。日本就是大米消费量逐渐减少,小麦消费量不断增加的典型,冈本指出:“即使在非洲的苏丹,主食高粱的消费量也出现减少,而小麦的进口量出现增加。小麦的消费增加已经成为全球的趋势”。小麦与水稻和玉米相比,虽然种植面积比较大,但产量一直较低。所以冈本就想到,要想稳定供应小麦,行之有效的方法就是实现在干燥地带实现小麦种植,从而增加产量。

着眼于关闭气孔的植物激素

植物怎样改良才能耐旱呢?其关键在于植物激素。正如性激素和生长激素在动物的生长过程中发挥着重要作用一样,植物也依靠激素生长。陆地植物拥有相同的激素,一种激素发挥着不同的作用。与植物的耐旱性有关的,是拥有复杂功能的植物激素之一脱落酸。

植物的叶片上有进行光合作用时用来与外界交换气体的气孔,水分通过气孔蒸发。虽然以前就知道脱落酸担负着关闭气孔的职能,但“通过详细查明这一机制,才使得研究向前进了一大步”(冈本)。

在通常的环境下,负责传递关闭气孔信号的SnRK2酶受PP2C酶抑制,气孔处于打开状态。但当遇到干旱等环境胁迫后,植物会产生脱落酸,与脱落酸结合的受体会抑制PP2C酶的功能(图1),由此,SnRK2酶开始工作,气孔关闭。

培育节水耐旱小麦,变干旱地区为世界粮仓

STEP1 遇到环境胁迫产生脱落酸,与受体结合。

培育节水耐旱小麦,变干旱地区为世界粮仓

STEP2与脱落酸结合的受体抑制PP2C酶的功能。之前被PP2C抑制的SnRK2则恢复工作。

培育节水耐旱小麦,变干旱地区为世界粮仓

STEP3 SnRK2酶被激活,靶蛋白活性化。

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STEP4气孔关闭。

■图1:气孔关闭的机制。脱落酸并不会直接关闭气孔,而是形成了一套有很多分子参与的复杂机制。少量的植物激素被认为是控制整个植物的必要机制。

单纯考虑的话,只要增加脱落酸似乎就能关闭气孔,但实际上并没有那么简单。由于植物激素工作的路径很复杂,需要考虑在哪部分进行加工。冈本选择的方法是增加多种脱落酸受体中的一种。

冈本首先利用的模式植物是“拟南芥” (阿拉伯芥,学名:Arabidopsis thaliana),这是因为早在2000年的时候,拟南芥的基因解析就已经完成,拟南芥的植物特征与基因的对应关系也相对地要更加了解的缘故。冈本先生把脱落酸受体基因导入到了拟南芥的基因中,制作出了具有多个脱落酸受体的植物,并通过实验确认该植物具有较强的耐旱性。冈本先生推测,如果同样的操作也能对小麦实施的话,就应该能培育出耐旱的品种来。然而,把在拟南芥上取得的成果应用于小麦却并非易事。

导入基因还能提高光合作用的效率

冈本解释了其中原因:“小麦的基因组数量非常大,是水稻的40倍,人类的5倍,而且是由3种植物杂交产生的,因此基因组的构成比较复杂。解读小麦基因组花了13年时间,直到2018年才终于完成。本研究启动时只有零碎的基因组信息,是从一点一滴探索脱落酸受体基因开始研究的”。

冈本分离了9种脱落酸受体基因,并对其特征分别进行调查,预测了哪种受体最有助于提高耐旱性。然后尝试利用转基因技术大量制作这种受体,但众所周知,向小麦导入基因非常困难。日本国内只有数人能完成这项高难度工作,不过,在他们的帮助下,冈本最终成功开发出了拥有大量受体的小麦。对这种小麦进行培育发现,与拟南芥一样,获得了预期的耐旱性(图2)。

培育节水耐旱小麦,变干旱地区为世界粮仓

■图2 普通小麦与耐旱性小麦的比较。只浇灌少量的水,普通小麦(左)枯萎,而耐旱性小麦(右)依然茂盛生长,完全没有枯萎。

在耐旱小麦的开发中,除提高耐旱性外还存在其他课题。在以拟南芥为中心的很多先行研究中,提高耐旱性带来的问题是,植物的生长发育受阻、产量降低。因为关闭气孔虽然能抑制水分蒸腾,但与此同时,进行光合作用所需的二氧化碳的获取量也减少了。不过,冈本开发的耐旱小麦未出现生长发育受阻的现象,而且在干旱条件下生长,种子的大小也没有变化(图3)。

培育节水耐旱小麦,变干旱地区为世界粮仓

■图3 收割的小麦的比较。从图中可以看出,在水分充足的环境下生长时(上图),普通小麦和耐旱小麦的种子没有太大区别。但在干旱条件下,普通小麦(左下)的种子萎缩,而耐旱小麦(右下)几乎未受影响。

冈本表示:“估计是因为有效进行了光合作用,所以即使只用很少的水和二氧化碳也能像普通小麦一样生长并收获种子。至于为何有效进行了光合作用是今后的研究课题”。

冈本开发的小麦使用更少的水就能获得与普通小麦相同的产量,可以说是一种节水型耐旱小麦。种植所需的每升水的产量比普通小麦增加了35%。

能否掀起“第二次绿色革命”?

此次开发的节水耐旱小麦使用了转基因技术,因此即使安全可能也无法被社会接受。对此,冈本正在探索不使用转基因技术的方法。

冈本坚定地表示:“目前已经发现一种野生小麦,可能拥有能增加脱落酸受体的基因。利用这种野生品种,通过杂交等传统的品种改良技术或许能培育出节水耐旱小麦。通过绘制基因组图谱可以有效进行品种改良,因此有望在不久的将来实现”。为了开发实用品种,目前在塑料大棚内形成了模拟干旱区,正对杂交品种的生长情况等进行评估。

1960年代至70年代诞生了使粮食产量大幅提高的“绿色革命”,原因之一就是开发出了不容易受风的影响、即使结很多种子也不容易被压倒的低植株小麦和水稻。只用少量水就能种植的耐旱小麦的开发和普及,可能会引发将干旱地带变成世界粮仓的“第二次绿色革命”。今后会继续关注节水耐旱小麦的研究成果。

(日文全文)

出处:JSTnews 2019年6月号
翻译编辑:JST客观日本编辑部

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