研究發現改變作物中基因表達 能減少水資源使用

Katarzyna Gowacka et al., Photosystem II Subunit S overexpression increases the efficiency of water use in a field-grown crop, Nature Communications, 2018.


【本刊訊】農業壟斷全世界90%的淡水資源,但其生產量仍為滿足現今不斷增長的人口數而持續不斷的增加。有鑑於此,在國際間多所大學共同開發的「提高光合作用效率(Realizing Increased Photosynthetic Efficiency, RIPE)」研究計畫中,科學家們發現通過改變其中一種基因的表達,能減少25%的水灌溉,但不會因此而降低作物產量。

過去60年來,作物的產量不斷提高,不過1噸穀物所需的水量仍保持不變,這使大部分的人
認為此因素無法被改變。一般而言,當植物的氣孔打開時,二氧化碳會進入植物中以促進光合作用的進行,但過程中水分也會因蒸散作用而流失。而在植物中有4個因素會影響氣孔的開啟與關閉,分別是植物中二氧化碳的含量、濕度、光的品質和數量。而這次的發現主要是研究氣孔開關對於光數量的反應。

PsbS ( Photosystem II Subunit S) 蛋白,一種在植物中信號傳遞路徑的關鍵,主要負責傳遞光量信息, 透過提高PsbS 蛋白的表達量,發出信號使植物認為沒有足夠光能進行光合作用,觸發植物關閉氣孔,來保存植物中的水分。研究人員表示在過去70 年中,大氣中的二氧化碳增加25%,使植物在氣孔沒有完全打開的情況下還是能累積足夠的二氧化碳,且不影響作物產量。

共同作者格勒基卡(Katarzyna Glowacka)也表示,當水資源有限時,這些改良過的植物會生長得更快、且有較高的產量。而這項研究也補充了先前發表在Science 期刊上的論文, 該論文發現增加PsbS 蛋白和另外2 種蛋白能改善光合作用並提高20%的產量。

目前,研究團隊也計畫將這兩項研究成果結合,期望透過三種蛋白質的相互調控提升作物產量和減少用水量。而針對這項研究,團隊選擇菸草來觀察作物實際的水分利用效率和在限水情況下的功效測試。因為菸草相較於其他作物,是一種更容易進行修改的模式作物。未來,也將持續進行其他糧食作物的測試,期望能有助於水資源的分配,並保持農作物的高產出。


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