用浮萍構(gòu)建水上糧倉

王思瑤

目前，全球糧食安全形勢嚴(yán)峻，我國糧食安全也備受考驗。如何充分開發(fā)新的非傳統(tǒng)生物資源，建立有別于傳統(tǒng)農(nóng)耕的糧食生產(chǎn)模式迫在眉睫。對此，中國科學(xué)院成都生物研究所趙海研究團(tuán)隊經(jīng)過15年的研究，對水生植物浮萍在保障糧食安全上的戰(zhàn)略價值有了系統(tǒng)而深刻的認(rèn)識，取得了重要的研究成果。

15年前，趙海的研究重心集中在薯類燃料乙醇關(guān)鍵技術(shù)的研究和開發(fā)，相關(guān)研究成果已獲得實際轉(zhuǎn)化應(yīng)用。但當(dāng)時學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界均認(rèn)為生物能源的開發(fā)必須遵循不“與人爭糧，與糧爭地”的原則，只要是土壤里種出來的作物就不是“非糧原料”。因此薯類的非糧屬性始終被一些專家質(zhì)疑。

為此，趙海和團(tuán)隊決定要尋找一種不占用耕地的無爭議的非糧物種，他們另辟蹊徑地選擇在水生植物中尋找合適的對象，最終，關(guān)注到了浮萍這一浮水植物。

浮萍是一類在全球廣泛分布的水生植物，可生長期長，在溫、熱帶地區(qū)可全年生長。其繁殖速度極快，最適條件下30小時即可翻倍，是生長速度最快的開花植物之一。國外對浮萍作為新型生物資源的重要價值認(rèn)識較早，但研究工作分散，而國內(nèi)對浮萍的研究不多，只開展了一些零散的研究工作。

為了更好地研究浮萍，趙海收集了來自全球800余份具有地域代表性的浮萍株系，建成了全球最大的種質(zhì)資源庫;并通過高通量篩選與評價技術(shù)體系的建立，實現(xiàn)了各種特性的浮萍資源的系統(tǒng)篩選。

經(jīng)過多年連續(xù)的系統(tǒng)研究，趙海團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，浮萍具有高光合效能，在誘導(dǎo)條件下光能轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到5.7%～6.6%，比C4能源作物和糧食作物更高，且超過90%的碳流向了淀粉合成。為此，研究團(tuán)隊完成了對最具淀粉生產(chǎn)潛力的少根紫萍的全基因組測序，系統(tǒng)闡釋了浮萍高淀粉積累的機制。

經(jīng)過嚴(yán)格科學(xué)篩選出的浮萍高淀粉積累株系，可在調(diào)控下經(jīng)10天淀粉含量從6.52%提高到75.88%，達(dá)到2.5噸/畝/年的淀粉生產(chǎn)能力，是水稻畝產(chǎn)淀粉的6倍以上，已建成100m2的高淀粉浮萍自動化植物工廠，并完成模式驗證。篩選出的高蛋白株系，蛋白質(zhì)含量>50%，達(dá)到1噸/畝/年的蛋白生產(chǎn)能力，是大豆畝產(chǎn)蛋白的5倍以上。

團(tuán)隊還開展了浮萍生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)開發(fā)研究，以高淀粉浮萍為原料，取得了發(fā)酵效率>95%、乙醇濃度>13%，丁醇濃度每升10.65克、總?cè)軇┟可?8.65克的技術(shù)指標(biāo)，達(dá)到國際先進(jìn)水平。這一成果于2014年獲得聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織（UNIDO）頒發(fā)的“全球可再生能源領(lǐng)域最具投資價值領(lǐng)先技術(shù)藍(lán)天獎”。

除此之外，團(tuán)隊還開展了將浮萍作為合成生物學(xué)底盤生物的探索性研究，已建立了浮萍遺傳轉(zhuǎn)化、基因編輯和浮萍細(xì)胞懸浮培養(yǎng)技術(shù)體系，目前已實現(xiàn)了雞瘟疫苗、白介素等高值活性物質(zhì)在浮萍中的高效表達(dá)，并驗證了由此獲得的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)物的生物活性和功能。

目前，趙海團(tuán)隊發(fā)表浮萍相關(guān)《科學(xué)引文索引》（SCI）研究論文40余篇，申請發(fā)明專利12項，其中已授權(quán)11項，被公認(rèn)為全球研究浮萍系統(tǒng)、全面的團(tuán)隊。2021年，團(tuán)隊參與第十屆國際環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展大會（ISCES），獲得由聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署頒發(fā)的“全球環(huán)境挑戰(zhàn)賽”獎第二名。

對浮萍15年的研究，讓趙海意識到浮萍是極具研究與應(yīng)用價值的水生植物。浮萍結(jié)構(gòu)簡單，以無性繁殖為主，適于工廠化生產(chǎn)，具有“農(nóng)業(yè)產(chǎn)品工業(yè)化”的前景，可提供一種有別于傳統(tǒng)糧食生產(chǎn)的新型生產(chǎn)模式;并且還具有模式植物特性，可作為合成生物學(xué)的底盤生物，提供高效的生物反應(yīng)器。同時，浮萍的種植還有利于水體凈化和CO2的減排，為減輕溫室效應(yīng)作出貢獻(xiàn)，助力“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。

為此，趙海表示將繼續(xù)在浮萍研究領(lǐng)域深耕，讓這一具有戰(zhàn)略價值的生物資源造福人類，發(fā)揮他作為科研工作者的應(yīng)盡之力。

（責(zé)編：蘇寒山）