【科學講堂】向高粱「拜師學藝」打造「超完美稻米」

穩定的糧食供應一直是我們希望達到的目標，隨着氣候改變農作物的收成，能夠解決這個問題就變得更為重要。不過，我們常吃的稻米，其光合作用的過程還有改善的空間。今次就跟各位分享一下，怎樣向高粱「學習」並改良稻米。

植物的光合作用利用空氣中的二氧化碳和太陽的能量去製造碳水化合物。地球上差不多所有生物（包括人類），都直接或間接地依靠植物光合作用的產物來作為食物來源。

全球暖化影響稻米產量

光合作用有多個進行的模式，比如以稻米為例，當樹葉中央的葉肉（mesophyll）吸收了大氣中的二氧化碳，葉肉中一種名為Rubisco的酵素會把二氧化碳轉化成一種由3個碳原子組成的分子。這種分子其後會經過卡爾文—本森循環（Calvin-Benson Cycle）中的各個化學作用而變成碳水化合物，這個過程就被簡稱為C3。可惜的是，Rubisco這種酵素還會和附近的氧氣發生化學作用，影響水稻中有機物的積累，進而降低整體產量。炎熱和乾燥的天氣會加劇這些化學作用，而全球暖化會讓情況更糟糕。

高產量的農作物（例如玉米、高粱）進行光合作用卻略有不同，這些植物會運用另一種酵素把二氧化碳轉化成由4個碳原子組成的分子，再將這種分子運輸到旁邊的葉脈細胞（bundle-sheath cell），這個過程就被簡稱為C4。葉脈細胞中有許多Rubisco，卻缺少氧氣，因此就能有效地避免Rubisco與氧氣發生不需要的化學作用，從而較有效地進行光合作用。

為了打造出高產量的「超完美稻米」，解決全球對糧食的需求，改善溫暖和乾燥氣候下的農產量，有科學家建議把C4光合作用引進到C3的植物（包括稻米）身上。這個想法並不瘋狂，C4光合作用需要的酵素和用來運輸物料的蛋白質，C3植物原來一早已有相對應的基因。因此只需啟動這些基因去製造適當的酵素和蛋白質，就有可能達到這個目標。

為了深入研究，科研人員開發了新的技術去觀察葉子中的所有基因，並在葉子接觸光線後不時重複這樣的實驗，這有助於解答葉子在慢慢開發光合作用能力的時候有哪些基因是活躍的。科學家們也在極力對比C3植物葉肉中的光合作用基因和C4植物葉脈細胞中的相對基因。

從結果上看，似乎有望將C4光合作用引進到C3的植物上。不過，還有一些問題需要再探索，比如啟動了葉脈細胞中光合作用的基因，是否需要同時壓抑葉肉中的光合作用，才可由C3轉化成C4？本來是C3的植物，是否可以有效地像C4植物一樣把物料從葉肉運輸到葉脈細胞中？科研人員未來會進一步實驗觀察，希望盡早解決這些問題。

小結

全球氣候持續改變，所以更需要我們開發新的策略去幫助緩解糧食供應的問題。希望現今我們對基因的了解，能夠為大家提供更多的可能性。在今次介紹的例子中，我們可以繼續研究，優化C3植物的結構和生化過程去採納C4模式的光合作用。

●杜子航 教育工作者

早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。