概述
同樣在農田裡沐浴陽光，玉米、高粱轉化光能的效率為何就比水稻、小麥高出一大截？原來，它們採用的光合作用模式不同！如果讓水稻像玉米那樣利用陽光，不就能生產更多糧食了嗎？
水稻是世界上最重要的糧食作物之一，全球約有一半以上的人口以水稻為主食。通過提高作物光合作用效率達到增產目的併兼顧品質安全，將是一個極具挑戰性的課題。中美兩大科研機構之間的合作將為破解世界性科學難題邁出重要一步。
玉米和水稻採用兩種不同的光合作用模式：玉米用的是效率較高的“碳四模式”（C4），光能轉化效率的理論最大值可達6%；而水稻用的“碳三模式”（C3）只有4.6%，效率較低。
4.6%和6%的差距，在植物生長上會產生多大影響？且看一組來自國際水稻研究所的數據：在同一產地、同樣耕種條件下，同時播種的玉米與水稻，一公頃玉米產生的生物量乾重為13.9噸，而水稻只有8.3噸。
提高生物量乾重是提高產量的重要途徑，因此儘管在農田中實現的光能轉化效率只有理論最大值的1/3左右，但若能讓水稻放棄低效的C3模式、改用高效的C4模式，產量肯定會“飛躍”。
讓水稻接受玉米的光合作用模式？科學家認為，這是一次新的“綠色革命”；但“革命”的難度極大、挑戰性極高，所以有人稱之為“生物研究的登月計畫”。
“C4水稻”激起了各國科學家的強烈興趣。去年4月，蓋茨基金會決定投資，為期15年，前3年預研階段投入1100萬美元。由國際水稻研究所主持的這項研發計畫，有英國、美國、德國、加拿大、澳大利亞和中國等國的科學家參加，組成了4個研究組：遺傳篩選組、分子生理組、分子工程組、生物信息與系統生物學組，中科院上海生命科學院計算生物學研究所研究員朱新廣擔任生物信息與系統生物學組的負責人。
“電子水稻”先探路
要讓水稻改用C4模式，首先要搞清兩種光合作用模式的作用與分化機理。先期研究發現，所有植物吸收二氧化碳都離不開一個酶RUBISCO，可它“生性懶惰”，工作效率十分低下。在光合作用系統中，C4植物比C3植物多了一套“設備”，這套“設備”能將二氧化碳分子富集到RUBISCO周圍，促使它專心於二氧化碳固定，從而提高工作績效。研發“C4水稻”的最終目標，就是要將這套“設備”搬運到水稻中，並讓它有效運轉。
在這項難度堪比登月的“搬運工程”中，我國生命科學家將擔負總體設計的重任——通過“電子植物”的模擬，設計出可行的“搬運”方案。
這項任務的負責人朱新廣告訴記者，在已有的研究基礎上，他們正在建立C3和C4光合作用的系統模型，用以模擬光合作用過程，並探索實現從C3到C4轉變的階段和步驟。“C4光合作用牽涉到幾十個酶，還必須有很多負責調控和轉運的蛋白質，另外葉片顯微結構也有所不同。”他解釋說，這就像搬遷一個工廠，光把所有機器搬過去不夠，一定要營造合適的運行環境、建立規章制度，才能將機器正確連線、開動、運轉起來，才能發揮作用——系統模型與“電子植物”將幫助科學家探尋改造水稻的途徑，並指導改造過程。
狗尾巴草來助陣
去年，“C4工程研究中心”成立，它由上海生命科學院旗下的7個實驗室參與協同。目前“中心”的主要工作是建立系統模型，同時鑑定C4光合作用分化過程中的重要調控分子，進而在模式生物上作驗證。
為了這項計畫，科學家通過國際合作，確定了一種新的模式植物——青狐尾草，俗稱狗尾巴草。別看名字不雅，它其實有很多優點：生長周期僅6周左右，適合做大批遺傳篩選……如今它的基因序列尚在測序，未來它將為“C4水稻”的研究立下赫赫戰功。
“實現目標雖然困難，卻並非不可能。”朱新廣說，在自然界中，這兩種光合作用的模式經常並存於同一種植物里，比如玉米雖屬C4植物，它的苞葉卻用C3模式進行光合作用。看到“C4水稻”對將來農業的重要影響，世界多國都開始醞釀並啟動相關研究，力爭將來在這個領域獲得更多主動權和發言權——朱新廣為此希望更多的中國科學家加入研究。
