【云顶娱乐】降低稻田碳排放,大麦基因来帮忙

水稻对全球变暖到底做了多少,一种高淀粉含量、低甲烷排放量的水稻品种SUSIBA2不久前被福建省农科院生物技术研究所与瑞典农业科学大学联合开发出来,全球每年从稻田中逸出的甲烷总量最高达1,是这片集中着近世界三分之一人口的地区最为主要的粮食来源,种植水稻会释放巨量的甲烷到大气中,而这些总面积达十余亿亩的水田中种植的水稻,这种低甲烷水稻对稻田甲烷的,减少稻田甲烷排放的方法,福建省在国际前沿科学领域——低甲烷高淀粉水稻研究领域取得重大科研成果,有效减少稻田甲烷排放的办法,福建省科技厅和福建省农科院12日联合发布科研人员在低甲烷高淀粉水稻这一前沿领域取得的最新成果,该项新技术在夏季能减少排放90%甚至更多的稻田甲烷

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一种高淀粉含量、低甲烷排放量的水稻品种SUSIBA2不久前被福建省农科院生物技术研究所与瑞典农业科学大学联合开发出来,并被称为是非凡的成果。水稻对全球变暖到底做了多少“贡献…
一种高淀粉含量、低甲烷排放量的水稻品种SUSIBA2不久前被福建省农科院生物技术研究所与瑞典农业科学大学联合开发出来,并被称为是非凡的成果。水稻对全球变暖到底做了多少“贡献”?靠什么才能降低水稻的甲烷排放量?这个新品种究竟有多大的应用前景?为此,记者采访了福建省农业科学院生物技术研究所所长王峰。
全球每年从稻田中逸出的甲烷总量最高达1
亿吨
记者:为何稻田会成为甲烷“制造厂”?
王峰:尽管从总量上来说,排放到大气中的甲烷远少于二氧化碳,但是由于甲烷的温室气体效应比二氧化碳高30余倍,因此甲烷依然为工业化以来的全球变暖做出了约20%的“贡献”——而在这些进入大气的甲烷中,有7%~17%是由稻田释放的。根据测算,全球每年从稻田中逸出的甲烷总量高达2500万吨~1亿吨。
为何稻田会成为巨大的甲烷“制造厂”?这和稻田及水稻种植的特点密不可分。经过多年的耕作,稻田中的土壤颗粒被破碎为极为细小的颗粒,彼此能够紧实的挤压在一起,空隙很小;水田的水分夹杂其中,使得空气无处藏身,整个水田成为极度缺氧的环境。与此同时,耕作和肥料的使用,使得水田中有着丰富的有机物残渣,并且水稻根系在生长过程中,也不断向水田内分泌有机物。此外,种植水稻的水田,大多分布于亚热带和热带地区。
【云顶娱乐】降低稻田碳排放,大麦基因来帮忙。缺氧的环境、大量的有机物和温暖的环境,使得水稻根际土壤中产生大量厌氧型微生物,而这些微生物中,就包含相当多的产甲烷菌。整个水田,就好似一个巨大的无盖沼气池,源源不断将有机物分解为甲烷,并肆无忌惮地排放到大气之中。
改变水稻中碳的分配
记者:怎么“减排”?
王峰:普通水稻光合产物有1/3以上被运输到根系,从而产生大量根系分泌物、脱落物,它们经厌氧菌发酵释放出甲烷,这是一种严重的浪费。如果设想将控制淀粉合成的因子转入,从而改变水稻中碳的分配,最终获得增产结果——将水稻每穗的谷粒从600粒提高到了1000粒,且大米中的淀粉含量明显增加。与此同时,根系分泌物、脱落物显着减少。
事实证明,这个设想是可以实现的。研究发现的SUSIBA2(Sugarsignalinginbarley2)基因,成为了实现这个梦想的关键。
研究发现,在组织细胞内较高水平地表达SUSIBA2基因,可以增强该部位“接纳”有机物的能力,并提高淀粉效率。实践表明,在被筛选出的两个株系中,SUSIBA2得到了理想表达,因此这两个株系被用来进行后续实验。
淀粉干重由76%提高到87%
记者:是否会影响到产量?
王峰:长期以来,减少水稻甲烷排放和增加有机物产量,是一个鱼和熊掌不能兼得的事情。传统上减少甲烷排放的方式,是通过改良耕种、灌溉等农业技术,来改变稻田土缺氧环境、减少有机物残留,以抑制产甲烷菌活动。然而,这些行为会改变水稻根际环境,对水稻生长产生一定影响。同时,因为控制甲烷排放量对于植株个体的筛选来说并非易事,传统的育种方式很难选育出低甲烷排放的水稻。高产的水稻品种意味着向根部输送的有机物更多,同样不利于减少甲烷排放。
新的生物技术让人们看到了解决这一问题的希望。研究者设想,通过调整水稻体内的有机物分配过程,或许能让一些本该运输到根部的有机物进入籽粒当中。这样既能够减少有机物向土壤中的释放,同时又能增加籽粒有机物的含量。3年田间试验数据显示,穗粒数、千粒重和籽粒中淀粉含量等产量指标均有增长,淀粉重量干重由76%提高到87%。
夏季减排90%秋季减少50%
记者:对甲烷的削减有多大?
王峰:研究者发现,相比于传统水稻,这些水稻的地上部分生物量显着增加,特别是籽粒中的淀粉含量提高了约13%。在福建等地连续3年的田间测量表明,这些水稻在生长期的甲烷释放量,只有同样耕作技术下传统水稻的10%;在结实期间,这一数值可继续降低到仅0.3%。
据介绍,3年田间实验数据显示,该项技术培育出的新型水稻在夏季能减少排放90%甚至更多的稻田甲烷,在秋季能减少50%以上的甲烷排放。
同时,对土壤根际微生物菌群的元基因组测序显示,土壤中多种产甲烷菌的数量也有明显下降。研究者们推测,这些水稻能够大幅降低甲烷释放的原因在于减少了根部的有机物分配,降低了根在生长过程中向土壤中释放的有机物,从而减缓了产甲烷菌的活动。
提供了新的思路和途径
记者:应用前景如何?
王峰:课题组将进行一系列后续研究,进一步明确该技术在不同稻区、不同季节、不同稻作类型的甲烷减排效果以及对稻田的生态影响。其实我们只是提出了一种新的理念,距离选育出可大规模推广的品种还很远,但至少我们看到了新的曙光。
若该成果的应用研究在未来取得突破,选育出低甲烷高淀粉水稻新品种,按照减排50%推算,预计每年将使全球稻田甲烷减排5000多万吨,中国稻田甲烷减排1000万吨,福建稻田甲烷减排30万吨,这将为全球温室气体减排作出重大贡献。

云顶娱乐 1水稻田靠产出稻米滋养着世界近三分之一人口,同时也因排放大量温室气体促进着全球变暖的进程。图片来源:Feng
Wang

福建省在国际前沿科学领域——低甲烷高淀粉水稻研究领域取得重大科研成果。福建省农科院生物所与瑞典农业科学大学联合研究出在不减少甚至增加水稻淀粉产量基础上,减少稻田甲烷排放的方法。此研究成果近日发表在国际权威综合性科学杂志《自然》周刊。
这项研究成果独创性地解决了人类面临的两大问题:一是减少温室气体排放的环保问题;二是增加作物产量的粮食安全问题。昨日,省科技厅、省农科院在福州联合举行新闻发布会,向大家通报了这一喜讯,并奖励福建省农科院生物所王锋研发团队200万元科研项目经费。
省科技厅厅长陈秋立同时表示,将采取科技重大项目等方式,对省农科院生物所水稻分子设计团队,给予持续稳定支持,以期尽快培育出可供大面积种植的低甲烷高淀粉水稻新品种。
稻田是主要甲烷排放源。甲烷对全球温室变暖“贡献率”为20%,其温室效应是二氧化碳的25倍,全球稻田每年排放甲烷总量最高可达1亿吨。为破解稻田甲烷减排难题,各国科学家主要采用耕作措施来提高土壤氧气含量,抑制甲烷排放,但这种措施耗时费工,不易操作,也影响了水稻生长。
福建省农业科学院生物所研究员王锋与瑞典农业科学院孙传信教授领导的科研团队,历时10年,通过现代生物技术,从水稻育种入手,有效调节水稻光合作用的产物分配,将其更多地输送到水稻的地上部分,从而促进水稻增产,减少甲烷排放,为该领域研究开辟新道路,是科学理论和方法的独创。这一研究成果确立了福建省在该领域的国际领先地位。
《自然》周刊发表评论称,这项研究是“开创性的”。国际权威的美国《科学》杂志也发表评论表示“这是非凡的成果”,这种低甲烷水稻对稻田甲烷的“消减是巨大的”。

云顶娱乐 2图:甲烷减排
福建省科技厅和福建省农科院12日联合发布科研人员在低甲烷高淀粉水稻这一前沿领域取得的最新成果,并宣布奖励相关团队200万元。
中国、瑞典和美国科学家通过分子生物技术,研究出在不减少甚至增加水稻淀粉产量基础上,有效减少稻田甲烷排放的办法,这为破解粮食安全和遏制全球变暖两大科学难题,提供了新的思路和途径,获得了国际科学界的充分肯定。7月22日,国际权威杂志《自然》周刊介绍了这一三国科学家联合研究的成果。
供职于瑞典农业科学院的科学家孙传信说,甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体,对全球变暖贡献率为20%,其中7%-17%由稻田释放,全球稻田每年排放甲烷总量高达2500万吨至1亿吨。
福建省农科院生物技术研究所所长王锋与瑞典农业科学院孙传信教授率领的科研团队历时10年合作,通过现代生物技术,从水稻育种入手,有效调节水稻光合作用的产物分配,将其更多地运输到水稻的地上部分,从而促进水稻中淀粉含量提高,减少甲烷排放。
据王锋介绍,实验数据显示,该项新技术在夏季能减少排放90%甚至更多的稻田甲烷,在秋季能减少50%以上的甲烷排放,淀粉重量干重由76%提高到87%。
福建省科技厅厅长陈秋立说,《自然》主刊发表中国省级农业科学院的研究成果尚属首次,这一成果也确立了福建省在该领域的国际领先地位。该课题由中国福建省农业科学院、瑞典农业科学院和位于华盛顿州的美国太平洋西北国家重点实验室联合完成,其中,福建省农科院是第一完成单位、第一作者单位和通讯作者单位之一。
陈秋立表示,除了给予王锋团队200万元的奖励之外,福建省还将采取科技重大项目等方式,对农科院生物所水稻分子设计团队给予持续稳定支持,以期尽快培育出可供大面积种植的低甲烷高淀粉水稻新品种。
王锋说,课题组将进行一系列后续研究,进一步明确该技术在不同稻区、不同季节、不同稻作类型的甲烷减排效果以及对稻田的生态影响。“其实我们只是提出了一种新的理念,距离选育出可大规模推广的品种还很远,但至少我们看到了新的曙光。”

然而,就在这些水稻为人们提供宝贵热量的同时,它们同时也在为地球“加热”。种植水稻会释放巨量的甲烷到大气中,而甲烷则是二氧化碳之外最为主要的温室气体。于是,如何减少水稻种植中的甲烷排放成为了农业工作者的重要研究对象。

从我国长江中下游及以南的丘陵地区,向南一直延伸到印度平原和东南亚热带雨林,一块块的水田是这些地区最为典型的农耕风貌。而这些总面积达十余亿亩的水田中种植的水稻,是这片集中着近世界三分之一人口的地区最为主要的粮食来源。

改变糖运输,增产又减排

不过长期以来,减少水稻甲烷排放和增加有机物产量,是一个“鱼和熊掌不能兼得”的事情。传统上减少甲烷排放的方式,是通过改良耕种、灌溉等农业技术,来改变稻田土缺氧环境、减少有机物残留,以抑制产甲烷菌活动。然而,这些行为会改变水稻根际环境,对水稻生长产生一定影响。另一方面,因为控制甲烷排放量对于植株个体的筛选来说并非易事,传统的育种方式很难选育出“低甲烷排放”的水稻。高产的水稻品种意味着向根部输送的有机物更多,同样不利于减少甲烷排放。

新的生物技术让人们看到了解决这一问题的希望。研究者设想,通过调整水稻体内的有机物分配过程,或许能让一些本该运输到根部的有机物进入籽粒当中。这样既能够减少有机物向土壤中的释放,同时又能增加籽粒有机物的含量。事实证明,这个设想是可以实现的。而一个来自大麦的基因SUSIBA2,成为了实现这个梦想的关键。

SUSIBA2(Sugar signaling in barley
2)基因是大麦内编码一个调节糖类代谢过程的转录因子。之前的研究发现,在组织细胞内较高水平地表达这种转录因子,可以增强该部位“接纳”有机物的能力,并提高淀粉效率。瑞典农业科学大学与福建省农业科学院的研究者将这一基因转移到水稻基因组中,并通过一个同样来自大麦的启动子SBEIIb,来驱动SUSIBA2基因在水稻的茎及籽粒中表达。检测显示,在被筛选出的两个株系中,SUSIBA2得到了理想的表达,因此这两个株系被用来进行后续实验。

研究者发现,相比于传统水稻,这些转基因水稻的地上部分生物量显著增加,特别是籽粒中的淀粉含量提高了约13%。在福建等地连续3年的田间测量表明,这些水稻在生长期的甲烷释放量,只有同样耕作技术下传统水稻的10%;在结实期间,这一数值可继续降低到仅0.3%。

云顶娱乐 3左图:一般水稻的根部有丰富的产甲烷微生物。右图:转入SUSIBA2的水稻,根际的产甲烷微生物显著减少。图片来源:Chuanxin
Sun and Anna Schnürer

同时,对土壤根际微生物菌群的元基因组测序显示,土壤中多种产甲烷菌的数量也有明显下降。研究者们推测,这些转基因水稻能够大幅降低甲烷释放的原因,在于减少了根部的有机物分配,降低了根在生长过程中向土壤中释放的有机物,从而减缓了产甲烷菌的活动。

更有意思的是,在这种“高淀粉低甲烷水稻”中,驱动SUSIBA2基因表达的启动子SBEIIb本身可以受SUSIBA2和糖的诱导而提高活性,因此在气温较高的夏季及一天中的中午时段,水稻光合作用产生的糖能够诱导SUSIBA2的表达量进一步提高,形成了“滚雪球”般的正反馈效应,从而进一步减少向根部的有机物输送。这一巧妙的设计让本应随着温度升高而更加活跃的产甲烷菌变得“缺粮”,从而大幅降低了甲烷的产生。

稻田:巨大的碳排放源

尽管从总量上来说,排放到大气中的甲烷远少于二氧化碳,但是由于甲烷的温室气体效应比二氧化碳高30余倍,因此甲烷依然为工业化以来的全球变暖做出了约20%的“贡献”——而在这些进入大气的甲烷中,有7%~17%是由稻田释放的。根据测算,全球每年从稻田中逸出的甲烷总量高达2500万吨至1亿吨。

为何稻田会成为巨大的甲烷“制造厂”?这和稻田及水稻种植的特点密不可分。经过多年的耕作,稻田中的土壤颗粒被破碎为极为细小的颗粒,彼此能够紧实的挤压在一起,空隙很小;水田的水分夹杂其中,使得空气无处藏身,整个水田成为极度缺氧的环境。与此同时,耕作和肥料的使用,使得水田中有着丰富的有机物残渣,并且水稻根系在生长过程中,也不断向水田内分泌有机物。此外,种植水稻的水田,大多分布于亚热带和热带地区。

缺氧的环境、大量的有机物和温暖的环境,使得水稻根际土壤中产生大量厌氧型微生物。而这些微生物中,就包含相当多的产甲烷菌。整个水田,就好似一个巨大的无盖沼气池,源源不断的将有机物分解为甲烷,并肆无忌惮的排放入大气之中。

云顶娱乐 4由于水田环境适合产甲烷微生物大量繁殖,大量甲烷从水稻田中逸出。图片来源:研究论文

如此巨量的甲烷释放也是一种潜在的浪费——这些甲烷中的碳,有相当部分也是来源于通过光合作用而固定的二氧化碳。如果能够使得水稻将这些碳转化为能被人们所利用的有机物,比如淀粉,那将会是一个一举两得的事情。

参考文献:

  1. J. Su et al. Expression of barley SUSIBA2 transcription factor
    yields high-starch low-methane rice. Nature (2015)
    doi:10.1038/nature14673

文章题图:Feng Wang

 

 

 

而就在今天,发表在《自然》的一篇论文提出了在不减少甚至增加水稻淀粉产量的基础上,减少种植过程甲烷排放的方法。而这一成果的关键技术,就是借用了一套来源于大麦的基因。

让生物技术做更“大”的事

提到农业生物技术,一般人头脑中通常反应出的,是一些农业相关性状的改良,例如增加产量、提高抗病抗虫性、增加肥料利用率,以及降低生产成本等。而这项研究成果让我们看到,生物技术有能力做到更“大”的事——例如为减缓全球变暖做出贡献。

事实上这并不奇怪,毕竟农业生态系统是地球生态系统中重要的组成部分之一。数千年以来,为了养活逐渐增加的人口,农田,以及更加广义的畜牧用地,已经极大地改变了地球的本来面貌,同时对地球生态产生了举足轻重的影响。稻田所释放的甲烷,就是其中具有代表性的一员。

而现在,人们已经拥有足够的技术,来降低农业生产对环境及地球生态的不利影响。除了减少稻田甲烷释放外,农业中另一大甲烷释放来源——反刍牲畜体内发酵产生的甲烷,同样可以依靠新的生物技术来降低其排放。目前已有研究者试图通过改良牲畜饲料、体内菌群,甚至直接改造牲畜的消化系统,来达到减少甲烷产生的目的。

在环保呼声日益高涨的今天,农业这个受到人类强烈干预,但又与自然生态系统联系紧密的生态系统,不但要供给人类文明延续和进步所需的物质基础,同时也必须向着对环境更加友好的方向发展。在这一宏大的发展潮流中,新的生物技术依然“大”有可为。

(编辑:Calo)