植物学家新发现转运蛋白 农作物生长“调理师”

转运蛋白：农作物的生长“调理师”
——植物学家的新发现或对全球农业产生深远影响
据物理学家组织网近日报道，全球12位著名的植物生物学家在5月2日出版的《自然》杂志上指出，他们最近发现了植物转运蛋白的重要属性，转运蛋白不仅会穿过农作物的生物膜来对抗有毒的金属和昆虫，也能提高农作物的抗盐性和耐旱性、控制水分流失并存储糖分，最新发现将对全球农业产生深远影响，有助于满足不断增加的全球人口对食物和能源的渴求。
农业发展亟须新思路
该研究的领导者、美国加州大学圣地亚哥分校的生物教授朱利安·施罗德说：“全球目前70亿人中有10亿人营养不良，缺乏充足的蛋白质和碳水化合物；还有10亿人营养失调，缺乏铁、锌和维生素A等微量营养素。这些饮食缺陷不仅导致人们容易感染并罹患疾病，而且也增加了罹患精神疾病的风险。2050年，全球人口可能高达90亿。人口激增、城市化水平不断提升、发展中国家对蛋白质的需求不断增加、气候变暖的风险不断加剧等诸多因素交织在一起，将给农业生产带来沉重的压力。”
参与最新研究的其他科学家们补充道：“仅仅通过增加无机化肥的使用和水供应或在农业领域采用有机耕作系统无法同时有效地完成提高农业产量和实现环境可持续发展这两大重要任务。要想在有限的土地资源上获得更多粮食，应该让创新性的农业实践和对农作物的遗传改进双管齐下才行。”
钠转运蛋白让植物更耐盐分
施罗德表示：“膜转运蛋白是一种专用蛋白，植物用它来从土壤中吸取营养；运送糖分并对抗食盐和铝等有毒物质。”
在一项研究中，施罗德在植物体内发现了一种钠转运蛋白，这种转运蛋白在保护植物免受盐分胁迫方面起关键作用，盐分胁迫会导致种植在灌溉土地上的农作物大幅减产。科学家们解释道：“盐渍土是一个主要问题，因为一旦钠离子进入叶子部位，就会影响光合作用等重要的生物过程。”据报道，目前盐分胁迫已经影响了全球超过五分之一的农业用地，而且，随着气候变化，盐分胁迫还将对粮食生产产生越来越多的威胁，耐盐作物将是确保粮食安全的一个重要手段。
澳大利亚科工组织植物产业部的女科学家拉娜·穆勒斯和同事现在已经将这种钠转运蛋白用于育种研究中，对小麦作物进行了遗传学处理，让其更耐盐分胁迫。在标准环境下，新的耐盐小麦品系与正常小麦品系的产量没有差别，但是在盐分胁迫环境中，耐盐小麦则能将产量提高25%。
研究人员表示，这项研究将有助于改善全球目前仅6％的地方能种植小麦这一问题，日后，许多高盐地区亦能种植耐盐小麦，可以说是经济价值与研究意义兼具。
酸性土壤也不怕
而《自然》杂志这篇文章的另一联合作者、澳大利亚的伊曼纽尔·德尔海兹和美国康奈尔大学的植物生理学家利昂·科其恩的最新发现则有望让人们在全球30%的酸性土壤中种植农作物成为可能。
科学家们表示：“铝是土壤中第三大元素，当土壤呈酸性时，土壤中的铝离子会释放出来，导致植物中毒。一旦在土壤中溶解，铝会破坏植物脆弱的根尖，抑制根部的生长，破坏植物根部对水和营养物质的吸收。”据悉，铝毒性是制约农作物产量的一个重要因素，影响了全球大约50%的耕地面积。
在最新研究中，科学家们厘清了转运蛋白控制这一过程的机制，从而使植物根部能耐受有毒的铝。他们表示，通过对农作物进行遗传学处理，可以去除铝离子的毒性，这将有助于现在无法利用的或者贫瘠的酸性土壤“变身”为肥沃的农田，为人类产出更多可以作为食物和生物燃料的农作物。
也有生物学家们发现，植物体内有些转运蛋白能增加农作物中铁和锌的含量，从而让农作物变得更有营养。
更好地吸收磷酸盐
同时，科学家们也发现了植物和共生的土壤真菌中存在着一些使植物能更有效地吸取磷酸盐和氮肥的转运蛋白。磷酸盐对农作物的生长和产量至关重要，氮肥的制造成本非常高。
他们表示：“制造氮肥消耗的能源占全球能源使用总量的1%，而且，对很多农作物来说，氮肥是最高的种植成本。然而，农作物对磷酸盐和氮肥的吸收利用率分别只有20%到30%、30%到50%。剩下的磷酸盐和氮肥会产生让全球变暖加剧的二氧化碳，也可能流入水中让水生态系统富营养化。”
在叶子表皮，植物通过光合作用会失去90%的水分，这些生物学家们也发现，有些转运蛋白可以调节叶子表皮的“气孔”，这就可以提高这些植物在水中种植的产量。
农业科学家们目前孜孜奋斗的两个目标是，增加农作物的碳水化合物的含量和提高抗虫性。最新的转运蛋白研究中，科学家们也发现，转运蛋白可以让糖分遍布整个农作物，据此研发出的新品种水稻植物将具有很好的抗虫性。这种简单的方法可以提高农作物的产量和抗虫性，减少杀虫剂的使用。
英国约翰英纳斯中心的主任、该研究的通讯作者戴尔·桑德斯表示：“就像手机需要更先进的技术来携带更多信息一样，植物也需要更好的或者新的转运蛋白来使它们在现有的农业土地上表现得更好。目前的解决办法是使用合成肥料和杀虫剂，但是，我们可以让植物通过自身就拥有的元素来表现得更好。”
施罗德表示，最近这些与植物转运蛋白有关的生物学研究有望使得人们获得更好的农作物品种，它们在严苛的环境下可以表现得更好，且更有营养。（记者 刘霞 综合外电）
《科技日报》（2013-5-10 二版）
刘霞 中国科技网 2013-05-10

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