植物储碳:根系越发达储存二氧化碳越强大

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核心提示：植物在吸收了二氧化碳之后，通过一系列的酶促反应进行碳固定，具备大量枝叶和大块根部系统的植物很可能就是人类最急需的理想生物能源。

野生状态时，UPB1会抑制植物根部（浅绿部分）过分生长；当研究人员破坏这种转录因子后，控制细胞分裂的活性氧平衡被打破，因此根部生长加快，变得更大。

南都周刊12月17日报道 人类的日常活动每年会给大气增加约90亿吨的碳排放量，其中50亿吨左右的二氧化碳会通过光合作用被陆地和海洋的植物吸收，剩下的部分就要靠人类自身的努力了——比如，更好地借助和发挥植物的神奇力量。

植物在吸收了二氧化碳之后，通过一系列的酶促反应进行碳固定。无论是地面的枝叶还是地底的根茎，固碳现象都能持续几十年的时间。位于植物根部的碳甚至有可能转移到土壤中去，被埋藏上数千年。

科学家们从中意识到，具备大量枝叶和大块根部系统的植物很可能就是人类最急需的理想生物能源。一方面，这些植物可以充分发挥“碳中和”的功能来抵消日常生活中的二氧化碳排放量；另一方面，它们更有可能将大量的碳长久固定在地下土壤中。

与矿物质相比，生物质（Biomass）能源更加清洁，因为植物的光合作用相当于抵消了燃烧释放的二氧化碳。通过基因改造来增强光合作用以制造更多的生物燃料，是条比较现实的途径。这一点已经在转基因玉米上得到体现。

但在利用根部固定碳方面，多年生植物要比一年生植物效率更高。美国劳伦斯伯克利国家实验室的科学家克里斯特尔·简森（Christer Jansson）解释说，这是因为一年生植物在生产种子和枝叶上消耗了太多的能源，而多年生植物则有更加发达的根部系统，以满足再生需求。

这么看来，多年生牧草如柳枝稷和芒草，似乎比需要每年种植的玉米更适合作为乙醇原料。因为牧草不仅成本低廉，还不会被指控引发粮食危机。但问题是，多年生植物的根部系统可能需要两到三年才能建立起来。

“拿柳枝稷来说，你通常不能收割第一季作物，因为它的根部系统需要较长的时间才能形成。”美国杜克大学基因科学与政策研究所（IGSP）系统生物学中心的主任菲力普·本菲（Philip Benfey）说，如果基因工程能够缩短这个时间，“那将是带给农民的一大福音。”

植物的组织生长是一个涉及多种基因因子的复杂过程，但本菲教授和他的研究团队从一开始就明确了他们的搜寻方向：当细胞停止分裂并开始展现成熟特征时，变得异常活跃的基因。

本菲教授的实验对象是拥有最小植物基因组的拟南芥（Arabidopsis thaliana）。拟南芥的根尖有一块特定区域，干细胞在这里从增殖阶段过渡到组织分化阶段。他说，“我们知道这块区域的存在，只是不明白这个过程是怎么被操控的。”

根据以往的研究，本菲的团队认为转录因子（Transcription factor）在这个过程中起着很大的作用。转录因子是一种控制特定基因表达的蛋白质，它通过将DNA绑定到特定位置，来实现DNA至RNA的信息转录或阻隔。之前的研究也已经分离出了一些基因，它们的表达在过渡区比在细胞其他区域更明显。这意味着，这些基因被“开启”了。本菲教授说：“我们关注了正好在过渡区开启的基因，其中的重点是转录因子。”

经过一系列筛选之后，研究人员最终确定了一个单一的转录因子，当它呈不活跃状态时，拟南芥的根却长得更长。他们将其命名为UPBEAT1（UPB1）。进一步研究表明，UPB1规范了过氧化物酶（Peroxidase）的基因表达，而过氧化物酶又控制着两种化学成分——过氧化氢（H2O2）和超氧（O2-）在根部的分布。这两种同属活性氧（ROS）自由基的成分的平衡决定了细胞从增殖到分化的过渡。活性氧自由基是机体氧化反应中产生的有害化合物，是引起细胞代谢的主要因素。

当研究人员在实验中破坏了UPB1在植物根部的活性之后，就改变了活性氧的平衡，使细胞分裂延迟并继续增殖。结果这些植物的根部生长加快，里面的细胞数量和体积也增加了很多。而当研究人员人工增加UPB1的活性时，植物根部的生长就明显缓慢下来。

实验还显示，通过化学试剂来直接调整活性氧的平衡或者过氧化物酶的活性，对细胞分化造成的影响与调节UPB1是一致的。

本菲教授说：“这个基因的活动就像一个变阻器。你打开它，就得到一种类型的增长。你把它关小一点，又会得到另一种增长类型。”这意味着，我们可以通过控制单一基因，无须借助植物生长素或者细胞分裂素，就能实现植物的快速生长。


值得一提的是，获得这些更大、生长更快的植物，并不要求我们往里面添加任何新的基因，只需降低一些UPB1的活性。“我们在这里谈论的可不是转基因植物。”本菲教授说。正因为这样，这项新技术将不会受转基因植物相关法律约束，从而大大降低技术运用成本。

如果将这一技术运用于农业，它甚至有可能部分缓解粮食短缺问题。更大的根部可以提高农作物的抗旱能力，增加农作物的产量（想象一下更大的土豆）。

“Bigger is better（大即好）”不是生物进化史的普世真理。但从环保的角度来看，更大的根部系统意味着更大的二氧化碳吸入量，以及更有效的固碳能力。据《生物科学》（Bioscience）杂志的一份研究指出，到2050年，人类通过栽培经基因工程优化的植物和树木，每年可以抵消50亿至80亿吨的碳排放量。UPB1是否就是我们的希望？

(本文来源：南都周刊 作者：张峰)

http://discover.news.163.com/10/1217/10/6O3LVKKV000125LI.html

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