颠覆技术！作物生长不依赖光合作用，比传统光合作用的效率高出4倍

学术 2024-10-31 22:26 广东

科技日报北京10月24日电（记者张梦然）在发表于最新一期《焦耳》杂志的一篇前瞻性研究论文上，美国生物工程师介绍了一种创新的食品生产方式，称为“电农业”（Electro-Agriculture）。这项技术的核心是利用太阳能驱动的化学反应来替代自然界的光合作用，从而更高效地将二氧化碳转化成植物可以利用的有机分子。通过基因工程手段，让植物改造后能够吸收这些有机分子。

“电农业”原型。图片来源：华盛顿大学圣路易斯分校

据研究团队估计，如果全美的粮食作物均采用“电农业”的方式生产，所需耕地面积将大幅缩减达94%。此外，这项技术同样适用于在太空中生产粮食。

光合作用虽然支持着地球上的大多数生命形式，但其能量转换效率却相对较低，通常植物只能将所吸收光能中的大约1%转化为可用的化学能。来自华盛顿大学圣路易斯分校的研究团队认为，如果植物无需依赖阳光就能生长，则农业生产可以与自然环境分离，在受控的室内条件下进行。

“电农业”的概念包括了使用多层建筑来代替传统农田。这些建筑物的表面或周围将安装太阳能电池板，用以捕捉太阳的能量，并驱动二氧化碳和水之间发生的化学反应，生成醋酸盐。随后，醋酸盐会被用作水培植物的养料。这一过程同样适用于培育蘑菇、酵母和藻类等其他植物，因为它们天然就能够利用醋酸盐。

通过这种方式，研究团队已经将转化效率提升至约4%，这比传统光合作用的效率高出4倍。由于整个过程更为高效，因此与食品生产相关的二氧化碳排放也相应减少。

为了实现让植物能够利用醋酸盐的目标，研究团队借鉴了植物萌发期间分解储存在种子内的营养物质的代谢路径。当植物开始进行光合作用时，这条代谢路径通常会被关闭。然而，通过重新激活这条路径，植物便能够利用醋酸盐作为其能量和碳源。

目前的研究已经使一些植物能够在不依赖光合作用的情况下利用醋酸盐生长，但最终的研究目标是培育出完全依赖醋酸盐获取所有必需能量的植物，即这些植物将不再需要任何形式的光照。

农业技术的下一个阶段，可能是与自然环境脱钩，以受控方式进行生产。目前本文研究的初步重点，是西红柿和生菜，但据称有计划转向高热量主食作物，如木薯、红薯和谷物作物。不过，在实际应用中，这一技术仍然面临重大挑战。在无光条件下栽培植物，现在还处于早期阶段，需要进一步研究与开发才能使这项技术完全商业化，实现其全部潜力。

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