植物都能光合作用(光合作用最高效的植物)

方凌生

澳大利亚昆士兰州艾尔镇附近的一块土地上种植了一些不寻常的作物。这些略带银绿色的植物，长着长长的肉质叶子，像带有许多锯齿状牙齿的刀片一样展开，被称为龙舌兰。

龙舌兰是制作龙舌兰酒的必要原料，这也是他们最著名的用途。与澳大利亚的太平洋海岸相比，墨西哥的龙舌兰种植更为普遍。然而，对于科学家来说，龙舌兰对人类有着非同寻常的意义，因为这种超级植物(具有超级光合作用的植物)是即将到来的全球能源革命的一部分。

龙舌兰的确非同寻常，即使在地球上最干燥缺水的地方，它们也能正常进行光合作用。这就使科学家们联想到了地球的粮食供应。随着气候变暖，地球上的粮食供应开始受到威胁，科学家开始竞相研究龙舌兰。期望能够驾驭龙舌兰所具有的那种神秘力量。那么，龙舌兰这种超级植物，究竟具有什么能耐，又可能给我们带来什么样的惊喜呢？

龙舌兰是制作烈酒龙舌兰酒所必需的原料。但对科学家来说，龙舌兰对于人类的意义非同寻常龙舌兰真的不一般。即使在地球上最干燥缺水的地方，它们也能正常进行光合作用。这让科学家想起了地球的食物供应。随着气候变暖，地球上的食物供应开始受到威胁，科学家们开始竞相研究龙舌兰。期望能够驾驭龙舌兰的神秘力量。那么，龙舌兰这种超级植物到底有什么能力，可能会给我们带来什么样的惊喜呢？龙舌兰酒是制作烈性酒龙舌兰酒的必要原料。但对于科学家来说，龙舌兰对人类有着非同寻常的意义。

普通植物的光合效率令人失望。

地球上的植物在为人类提供食物、燃料、建筑材料和自然美景的同时，还封存了大量的二氧化碳，否则。地球这个恒温器的温度会变得更高。人类的生存一直在依赖并将继续依赖植物的光合作用。光合作用是一种非常奇妙的自然现象。植物通过捕获阳光伯能量，将二氧化碳和水转化为糖和氧，从而将能量储存起来，为滋养我们提供所需。然而，尽管植物光合作用经过了20亿年漫长的演化历程，但我们必须承认：植物完成了一个奇迹，却没有做得很好。彗通植物将太阳能转化为生物质的效率最高仅为4.6%，这样的效率实在有点令人失望。

普通植物多采用碳3光合作用的方式地球上的植物不仅为人类提供食物、燃料、建筑材料和自然美景，还能螯合大量二氧化碳，否则。这个地球恒温器的温度会变得更高。人类的生存已经并将继续依赖于植物的光合作用。光合作用是一种非常奇妙的自然现象。通过捕捉阳光的主要能量，植物将二氧化碳和水转化为糖和氧，从而储存能量并提供我们所需的营养。然而，虽然植物的光合作用经历了20亿年的漫长进化过程，但我们必须承认，植物完成了一个奇迹，但它们做得并不好。彗发植物将太阳能转化为生物质的最高效率只有4.6%，有点令人失望。普通植物大多采用碳3光合作用的方式。

因此，科学家希望探索龙舌兰等植物超强光合作用的秘密，开发利用龙舌兰这种强大而神秘的光合作用能力，为人类创造一个更绿色、更清洁、更安全的未来。这就是像塔恩这样的科学家正在做的事情。4碳米之梦

普通植物的这种低效率的光合作用，被称为“碳3光合作用”，地球上90%的植物（包括小麦、水稻和大豆等）都是碳3植物。只有约4%的植物物种采用的是碳4光合作用，但它们却占陆地生物量的23%。碳4植物包括一些主要的食用植物如玉米、甘蔗，以及众多动物性食物所需要的牧草。全球变暖将导致养活全人类的压力增大，粮食危机形势严峻。即使21世纪全球变暖控制在了预期的范围内，小麦、水稻和大豆等碳3作物的产量还是可能会下降6%～15%。这就促使一些科学家产生了要制造更多碳4植物这种高效光合作用植物的想法。这些科学家在想：是否可以通过基因工程促成碳3植物采用碳4植物的光合作用？

碳4水稻项目将世界一半人口的主食转化为碳4作物常见植物的这种低效光合作用被称为“碳3光合作用”，地球上90%的植物(包括小麦、水稻和大豆等。)是碳3植物。只有大约4%的植物物种利用C4光合作用，但它们却占陆地生物量的23%。碳素植物包括玉米、甘蔗等一些主要食用植物，以及许多动物性食物所需的饲草。全球变暖将增加养活全人类的压力，粮食危机将十分严峻。即使全球变暖在21世纪被控制在预期范围内，小麦、水稻和大豆等C3作物的产量仍可能减少6% ~ 15%。这促使一些科学家产生了制造更多C4植物的想法，这些植物是高效的光合植物。这些科学家在想:有没有可能通过基因工程利用碳4植物来促进碳3植物的光合作用？碳大米项目将世界一半人口的主食转化为碳4作物。

碳大米项目是2008年启动的一个国际项目，旨在通过这项研究的成功，将世界一半人口的主食转化为C4作物。碳-3水稻缺乏碳-4植物特有的叶片结构，因此需要通过插入20或30个新基因来重新设计其结构。一些科学家认为，这是目前合成生物学和基因组工程领域最大的项目。

2017年，研究人员宣布，已经培育出了一种碳4水稻品种样本，该改良品种拥有那些重要的细胞间通道，植物叶绿体也更大。预计，到2030年，碳4水稻将进行大田试验。研究人员表示，我们可能得不到完美的碳4水稻，但我们会得到产量更高的碳3品种。与此同时，另一些研究人员已经在大气二氧化碳浓度较高的环境中种植了水稻，以获得碳4水稻的相关数据。实验数据表明，这些作物的产量将比传统作物高出50%。

光合作用的三种类型2017年，研究人员宣布培育出了一种C4水稻品种的样本。改良品种具有这些重要的细胞间通道，并且植物的叶绿体更大。据预测，到2030年，C4水稻将在田间进行试验。研究人员说，我们可能不会得到完美的C4水稻，但我们会得到产量更高的C3品种。同时，其他研究人员在大气二氧化碳浓度较高的环境中种植水稻，以获得C4水稻的相关数据。实验表明，这些作物的产量将比传统作物高出50%。三种类型的光合作用

4.碳大米项目的曙光已经开始，但这还远远不够。随着气候变化，我们不仅需要粮食作物更加高效，还需要粮食作物适应更加恶劣的环境条件。科学家认为，在全球气候危机的背景下，水将成为农业发展的限制因素。据预测，在下一个世纪，干旱将在许多半干旱地区肆虐，据预测，45%的土地将发生更频繁、更严重和更持久的数千次干旱。如果太多的干旱导致粮食作物无法生长，那么增强版的光合水稻也不会有所帮助。柠檬酸代谢植物

然而，大自然还有一种秘密武器——大约7%的植物采用的是第三种光合作用，这些植物被称为景天酸代谢（以下简称CAM）植物。CAM植物包括菠萝、芦荟和香草，昆士兰的锯齿叶银龙舌兰也是其中之一。

大自然還有一种秘密武器，大约7%的植物采用的是第三种光台作用：CAM然而，大自然还有一个秘密武器——约7%的植物采用第三次光合作用。这些植物被称为景天酸代谢(以下简称CAM)植物。CAM植物有菠萝、芦荟、香草等，昆士兰的锯齿叶龙舌兰就是其中之一。大自然还有一个秘密武器，大约7%的植物使用第三光平台:CAM。

与碳4光合作用一样，CAM植物可以预浓缩二氧化碳，以提高Rubisco酶的效率。但不同的是，C4植物在物理上将光合作用分为两部分，而CAM植物从时间间隔上将光合作用分为两部分。与大多数植物不同，CAM植物只在凉爽的夜晚打开气孔来捕捉二氧化碳。当太阳升起时。植物的气孔会关闭，以防止水分流失。这时植物只是利用储存的二氧化碳进行光合作用。由于这些适应性变化，像耐旱的C3植物和C4植物一样，CAM植物只需要20%的水就可以满足它们的生长需求。随着全球变暖。缺水将是限制农业发展的重要因素，不需要太多水的C4和CAM植物也将是满足未来粮食需求的希望。

龙舌兰的种植越来越普遍，它有很多不寻常的用途。例如，Tarn的种植园正在试验用龙舌兰生产生物燃料。在世界的许多地方。生物燃料已被用作汽油的补充，并日益被视为液体化石燃料的替代品。然而，生物燃料种植的优缺点是有争议的，因为它需要大量的土地，水和其他资源。

塔恩和他的同事最近发表了第一份关于龙舌兰—生物乙醇生长周期的综合评估报告，并对温室气体排放、水消耗和环境污染等问题进行了研究。他们发现，与从玉米中提取乙醇相比，从龙舌兰植物中摄取生物乙醇对全球变暖的影响要低60%，比从甘蔗中摄取乙醇要低30%。另外，因为在澳大利亚种植龙舌兰没有本土害虫，所以既不需要灌溉，也不需要杀虫剂。

龙舌兰等作物，它高大的青绿色叶子将成为地球上更加常见和亮丽的一道风景线谭和他的同事最近发表了第一份关于龙舌兰-生物乙醇生长周期的综合评估报告，并研究了温室气体排放、水消耗和环境污染。他们发现，与从玉米中提取乙醇相比，从龙舌兰植物中提取生物乙醇对全球变暖的影响降低了60%，从甘蔗中提取乙醇的影响降低了30%。另外，由于澳大利亚的龙舌兰种植没有本土害虫，所以既不需要灌溉，也不需要打农药。龙舌兰和其他作物一样，其高大的青绿色叶子将成为地球上更常见、更美丽的景观。

库什曼的研究团队正在从事一个种植仙人掌果实的项目。仙人掌用途广泛。它可用作食品、动物饲料、生物乙醇和沼气。仙人掌原产于美国，在任何温度基本在零度以上的地方都能茁壮成长。这意味着地球上1/5不适合种植其他作物的土地可以用来种植这种仙人掌果实。内华达州的田间试验表明，1公顷的仙人掌果实每年可以产生多达44吨的生物质。产量与玉米和甘蔗相当。巴西和突尼斯在许多峡谷种植仙人掌果。当地科学家观察到，由这种仙人掌组成的树篱可以防止水土流失，增加土壤中的氮含量。

人们通常认为CAM植物生长缓慢，但这实际上是对它们的误解。玉米、大豆等一年生作物生长迅速，但一年只有一个生长季，一般需要4-6个月。但大多数CAM植物都是多年生植物，可以连续生长几年，所以有些CAM作物也能高产。未来的超级作物

一些科学家想知道，是否可以利用CAM作物开展一些与碳4水稻项目类似的项目。碳4水稻项目的目的是将碳3和CAM作物的特性结合起来，产生一种终极超级作物。过去的5年里，科学家们已经对几种CAM植物的基因组进行了测序，但是要获得最终的成功，还有很长的路要走。虽然我们已经大致了解了CAM光合作用的路径，但具体的运作方式，比如随时间波动、酶的调节等重要细节尚不清楚。

一些科学家想知道一些类似于C4水稻项目的项目是否可以通过使用CAM作物来实施。碳水稻项目的目的是结合碳3和CAM作物的特点，生产一种终极超级作物。在过去的五年里，科学家们已经对几种CAM植物的基因组进行了测序，但距离最终成功还有很长的路要走。虽然我们对CAM光合作用的路径有了大致的了解，但具体的运作方式，如随时间的波动、酶的调节等重要细节，还不清楚。