作者:红枫 来源:中国科学报 发布时间:2015/7/15 8:40:46
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龙舌兰或暗藏抗旱密钥

科学家希望把龙舌兰的抗旱特性转移到更多农作物上。图片来源:brewbooks

或许,和龙舌兰联系最多的莫过于龙舌兰酒,但是这种植物还有一种不常见的用途。现在,该植物正在教科学家学习如何制造出更抗旱的植物。

这种耐寒的肉质植物和霸王树(一种可以食用的仙人掌)、菠萝、香草兰花一样,在数千万年的进化过程中,具备了一种不同的光合作用,可以让植物在难以获得水的半干旱环境中生存。

这一过程叫作景天酸代谢(CAM),一些科学家对这一过程的研究已经持续了数十年,因为具备这种代谢功能的植物会消耗更少的水。然而,最近两三年来,越来越多的研究人员开始尝试认识这种光合作用,并把它转移到其他植物物种体内。

在植物中重新制造整个代谢通路绝不是一件简单的事。在科学家搞清楚与其基本功能相关联的所有基因以及运能机制之后,他们就要找到一种把基因材料植入目标植物的途径,或者让植物中存在的基因和蛋白按照科学家想要的方式运转。总的来说,该过程会包含大约100个基因,尽管研究人员表示仍不知道确切的基因数量。

美国橡树岭国家实验室生物学家Xiaohan Yang就是其中一名尝试让CAM在其他植物中发挥作用的研究人员。他表示,考虑到气候变化带来的干旱,在过去几年中,科学家对于CAM的兴趣迅速增长,政府的相关投资也在上升。

那么,是什么让龙舌兰和仙人掌等植物的光合作用如此特别呢?和大多数在白天通过叶片中的气孔吸收二氧化碳的植物(即C3和C4类植物)不同,CAM植物在晚上吸收二氧化碳。这种光合作用时间的变化意味着植物通过呼吸作用散发的水汽更少。事实上,CAM植物消耗的水分别仅是C3植物和C4植物的1/5和1/3。

然而,CAM植物也需要一种在晚间储存碳的方式,因为和其他植物一样,如果没有日照,它们就不能把碳转变成糖和淀粉等能量储备。CAM植物则通过暂时把碳储存在一个羟基丁二酸过渡池中实现能量储备。当太阳升起时,植物会分解有机酸,释放出二氧化碳。由此来看,这种植物可以进行类似C3植物的光合作用,只不过它们叶片上的气孔未保持打开状态,因为叶片中已经可以获得碳。

目前,对于Yang等科研人员来说,相关挑战就是如何找到一种让其他植物形成这种夜间碳储存的方式。“我们已经掌握了有哪些基因对于CAM植物非常重要。”Yang说,“现在,我们正在研究如何让这些基因汇聚在一起,那样我们就可以检测其效率了。”(红枫)

《中国科学报》 (2015-07-15 第2版 国际)
 
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