水稻是世界上消費最廣泛的主食之一，但其普及也帶來了環境代價。稻田佔大氣中甲烷的 7% 到 17%，使其成為世界上人為甲烷排放的最大來源。儘管甲烷氣體在溫室氣體總量中所佔比例遠小於二氧化碳，但它捕獲太陽紅外輻射的效率卻高出約 20 倍。
在過去的幾年裡，科學家們一直在尋找減少水稻種植產生的溫室氣體排放量的最有效方法。目前大多數方法都側重於改變水管理、耕作和施肥方式，以此來減少甲烷排放。缺點是這些管理上的改變需要額外的人工，並且可能並非在所有環境中都適用。
現在，來自中國、瑞典和美國的一個研究團隊首次找到了一種改變植物生物學的方法，使稻田釋放的溫室氣體減少。他們的研究結果本週發表在《自然》雜誌上《自然》。
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研究人員透過新增在裸麥中發現的名為 SUSIBA2 的轉錄因子基因，改變水稻植物儲存能量的方式，從而實現了這一壯舉。
通常，當水稻進行光合作用時，植物的莖和葉會吸收二氧化碳，植物將其轉化為澱粉，儲存在根、莖和穀物中。該研究的主要作者、瑞典烏普薩拉農業科學大學的植物生物學家孫傳新表示，在研究人員的轉基因水稻中，植物會產生更多的澱粉，主要儲存在莖和穀物中，而不是按比例分佈在包括根在內的整個植物中。
孫說：“這種水稻在預計氣溫較高的氣候下可能特別有用，因為甲烷排放是溫度依賴性的，高溫會加速稻田的甲烷排放。這種水稻可以抵消這種加速作用。”
該基因的新增不僅改變了植物儲存澱粉的方式，還改變了植物根部以糖、氨基酸和有機酸形式釋放的碳量。這些碳為植物根系周圍的土壤微生物群落提供養分，這個區域被稱為根際。在這些微生物中，有一些負責產生與水稻種植相關的甲烷。
當研究人員測量轉基因植物根部及其周圍的微生物種群時，他們發現甲烷產生微生物的數量少於他們作為對照測試的非轉基因水稻。碳的變化最終導致了甲烷產生細菌的死亡。在研究過程中，這 對甲烷產量產生了顯著影響，其中包括在中國的連續三個季度的田間試驗。
在研究人員測試的兩種轉基因水稻品種之一 SUSIBA2-77 中，開花前的排放量降至僅為對照組的 10%，開花後一個月左右，甲烷含量幾乎降至零。太平洋西北國家實驗室環境分子科學實驗室植物科學主任、該研究的合著者克里斯特·揚松表示，這表明，隨著水稻植株成熟並開始產生種子以及植物的代謝活動更加活躍，引入的裸麥基因對甲烷的影響更大。
在此項研究之前，研究人員一直沒有研發出低甲烷水稻，因為沒有人能夠找到控制低甲烷性狀的基因。孫說，許多高產水稻品種都有，但它們的甲烷排放量通常很高。
插入“主調節器”
這項研究建立在揚松在瑞典的早期工作基礎上，該工作確定了負責控制植物中碳分佈的“主調節器”裸麥基因。
儘管這項研究代表了減少甲烷排放方面向前邁進了一步，但研究人員認為這項工作是一個概念驗證，而不是傑作。
荷蘭阿姆斯特丹生態研究所的高階科學家保羅·博德利爾在《自然》雜誌研究的評論中寫道：“要證明這是一種持久的效果還為時過早。我認為這些發現非常酷，可能還只是初步的，但非常酷。”
揚松表示，接下來，研究人員計劃研究轉基因植物如何影響根際中的其他微生物生命，而不僅僅是產甲烷的微生物。
博德利爾還質疑，透過減少根系的生物量，水稻植株是否無法吸收足夠的養分，可能需要引入氮肥——另一種溫室氣體排放源。據孫說，到目前為止，研究人員還沒有發現這個問題。他提出了另一種替代方案。
他說：“如果需要，可以透過回收稻草來迴圈利用土壤中的碳，而不是增加氮肥。此外，目前已經有對氮肥需求量低得多的水稻品種。該性狀可以進一步引入到低甲烷水稻中。”
孫說，研究人員需要在更大的研究中看到結果的重複，該研究涵蓋數公頃的土地，並測量產量和甲烷排放量。
揚松表示，他預計在擴大研究中甲烷的減少量可能與田間試驗中記錄的相同。
研究人員的初步成功在某種程度上因他們的轉基因生物可能在歐洲和亞洲都遇到強烈的公眾反對而受到限制。孫說：“由於轉基因[水稻]目前沒有商業市場，我們必須根據我們的研究結果培育出一種可接受的非轉基因品種。可能需要 5 到 10 年的時間才能銷售出社會可接受的低甲烷水稻種子。”
揚松說，為了實現這一目標，研究人員將以轉基因植物為起點，然後不斷地將其與非轉基因水稻植物雜交，直到裸麥基因的含量逐漸稀釋。
揚松和孫都表示謹慎樂觀，認為隨著人們對糧食安全和環境改善的擔憂在未來變得更加嚴重，對轉基因生物的態度可能會隨著時間的推移變得更加開放。揚松說：“轉基因作物對消費者（在本例中為環境）明顯越有利，它們就越容易被接受。”
經環境與能源出版有限責任公司許可，轉載自《氣候導報》。www.eenews.net, 202-628-6500