水稻是世界上消费最广泛的主食之一，但其普及也带来了环境代价。稻田占大气中甲烷的 7% 到 17%，使其成为世界上人为甲烷排放的最大来源。尽管甲烷气体在温室气体总量中所占比例远小于二氧化碳，但它捕获太阳红外辐射的效率却高出约 20 倍。
在过去的几年里，科学家们一直在寻找减少水稻种植产生的温室气体排放量的最有效方法。目前大多数方法都侧重于改变水管理、耕作和施肥方式，以此来减少甲烷排放。缺点是这些管理上的改变需要额外的人工，并且可能并非在所有环境中都适用。
现在，来自中国、瑞典和美国的一个研究团队首次找到了一种改变植物生物学的方法，使稻田释放的温室气体减少。他们的研究结果本周发表在《自然》杂志上《自然》。
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研究人员通过添加在裸麦中发现的名为 SUSIBA2 的转录因子基因，改变水稻植物储存能量的方式，从而实现了这一壮举。
通常，当水稻进行光合作用时，植物的茎和叶会吸收二氧化碳，植物将其转化为淀粉，储存在根、茎和谷物中。该研究的主要作者、瑞典乌普萨拉农业科学大学的植物生物学家孙传新表示，在研究人员的转基因水稻中，植物会产生更多的淀粉，主要储存在茎和谷物中，而不是按比例分布在包括根在内的整个植物中。
孙说：“这种水稻在预计气温较高的气候下可能特别有用，因为甲烷排放是温度依赖性的，高温会加速稻田的甲烷排放。这种水稻可以抵消这种加速作用。”
该基因的添加不仅改变了植物储存淀粉的方式，还改变了植物根部以糖、氨基酸和有机酸形式释放的碳量。这些碳为植物根系周围的土壤微生物群落提供养分，这个区域被称为根际。在这些微生物中，有一些负责产生与水稻种植相关的甲烷。
当研究人员测量转基因植物根部及其周围的微生物种群时，他们发现甲烷产生微生物的数量少于他们作为对照测试的非转基因水稻。碳的变化最终导致了甲烷产生细菌的死亡。在研究过程中，这 对甲烷产量产生了显著影响，其中包括在中国的连续三个季度的田间试验。
在研究人员测试的两种转基因水稻品种之一 SUSIBA2-77 中，开花前的排放量降至仅为对照组的 10%，开花后一个月左右，甲烷含量几乎降至零。太平洋西北国家实验室环境分子科学实验室植物科学主任、该研究的合著者克里斯特·扬松表示，这表明，随着水稻植株成熟并开始产生种子以及植物的代谢活动更加活跃，引入的裸麦基因对甲烷的影响更大。
在此项研究之前，研究人员一直没有研发出低甲烷水稻，因为没有人能够找到控制低甲烷性状的基因。孙说，许多高产水稻品种都有，但它们的甲烷排放量通常很高。
插入“主调节器”
这项研究建立在扬松在瑞典的早期工作基础上，该工作确定了负责控制植物中碳分布的“主调节器”裸麦基因。
尽管这项研究代表了减少甲烷排放方面向前迈进了一步，但研究人员认为这项工作是一个概念验证，而不是杰作。
荷兰阿姆斯特丹生态研究所的高级科学家保罗·博德利尔在《自然》杂志研究的评论中写道：“要证明这是一种持久的效果还为时过早。我认为这些发现非常酷，可能还只是初步的，但非常酷。”
扬松表示，接下来，研究人员计划研究转基因植物如何影响根际中的其他微生物生命，而不仅仅是产甲烷的微生物。
博德利尔还质疑，通过减少根系的生物量，水稻植株是否无法吸收足够的养分，可能需要引入氮肥——另一种温室气体排放源。据孙说，到目前为止，研究人员还没有发现这个问题。他提出了另一种替代方案。
他说：“如果需要，可以通过回收稻草来循环利用土壤中的碳，而不是增加氮肥。此外，目前已经有对氮肥需求量低得多的水稻品种。该性状可以进一步引入到低甲烷水稻中。”
孙说，研究人员需要在更大的研究中看到结果的重复，该研究涵盖数公顷的土地，并测量产量和甲烷排放量。
扬松表示，他预计在扩大研究中甲烷的减少量可能与田间试验中记录的相同。
研究人员的初步成功在某种程度上因他们的转基因生物可能在欧洲和亚洲都遇到强烈的公众反对而受到限制。孙说：“由于转基因[水稻]目前没有商业市场，我们必须根据我们的研究结果培育出一种可接受的非转基因品种。可能需要 5 到 10 年的时间才能销售出社会可接受的低甲烷水稻种子。”
扬松说，为了实现这一目标，研究人员将以转基因植物为起点，然后不断地将其与非转基因水稻植物杂交，直到裸麦基因的含量逐渐稀释。
扬松和孙都表示谨慎乐观，认为随着人们对粮食安全和环境改善的担忧在未来变得更加严重，对转基因生物的态度可能会随着时间的推移变得更加开放。扬松说：“转基因作物对消费者（在本例中为环境）明显越有利，它们就越容易被接受。”
经环境与能源出版有限责任公司许可，转载自《气候导报》。www.eenews.net, 202-628-6500