前段时间，刚被太太扫盲，嫁接、杂交、转基因这些的基本区别；
今天的理解是让植物自身调节光合作用的能力提升，在光线最优时快速打开光合作用，有效吸收运用光；
对于我这农业小白，提个问题，未来粮食作物生长可否达到工业化标准，工厂批量化、规模化，离开土地的依赖，工业化的生长？如果能，您预计实现的时间？不能，那主要影响因素是什么？
杨帆，美国内布拉斯加大学林肯分校植物病理系博士生。
我们每一个人都离不开绿色植物。因为地球上种类众多、数量巨大的绿色植物能够不断吸收二氧化碳，在阳光的帮助下将其转化成糖类等有机物，并且释放出氧气。这就是大家所熟知的光合作用。
有机物又经过植物的进一步加工，变成蔬菜水果、谷物杂粮。可以说，这些植物就是为我们提供食物来源的初级工厂，它们由光驱动、自行运转。也许你不知道，如果阳光过于强烈，植物也会被晒伤，所以植物进化出了一整套自己的防晒系统，被称为非光化学冷却机制（ Non-photochemical quenching 即 NPQ ）。
当光照强度超过光合车间的承受能力，植物就会把那些它无法处理的光能量转化成为热量浪费掉，从而避免晒伤。这个防晒机制可以在数分钟内就被激活。但是，在云层遮挡、阳光减弱的情况下，植物却需要好几个小时才能把它彻底关停，在这期间，光合车间的生产能力始终受到阻碍。这就好比，人们一看到强光就马上涂抹防晒霜，但是不会在光照减弱的时候就立刻洗掉。
时间上的延迟造成了能量损失，并且使得光合作用效率大大降低，我们能够收获的粮食也就少了。作为植物的一种自我保护手段，这本来无可厚非。但是，一想到那些处于我们食物链底层的农作物。我们就必须考虑：能不能加速这一防晒系统的关停？既允许植物保护自己的同时，也能为我们提供更多食物。
这一想法已经在去年 11 月由美国的科研团队得到证实。
美国伊利诺伊大学香槟分校 Stephen Long 教授的研究团队在实验中实现了一个目标：让植物的防晒机制（非光化学冷却机制）在不需要的情况下（从强光进入弱光）迅速关闭。尽管这个过程的分子机理目前不是 100% 清楚，但通过在模式植物拟南芥（ Arabidopsis thaliana ）上的很多研究发现，NPQ 是可以通过三个基因来控制的。它们是 ZEP ，VDE 和 PsbS 。
其中， ZEP 能够在不需要防晒的时候加速 NPQ 的关停。当光照过强的时候，VDE 能够平衡、牵制 ZEP，保证植物顺利地启动 NPQ，从而顺利防晒。而 PsbS 就像一个开关，根据光照强度的不同来实现 NPQ 的启动与关停。
于是，Long 团队把这三个来自拟南芥的基因在烟草上过量表达。这三个基因使得烟草形成了一种新平衡：在光照增强的时候，转基因烟草能够像野生型（ wild type ）一样顺利防晒；当光照减弱的情况下，它比野生型更加迅速地关闭防晒机制。这就使得它不会有防晒关停的延迟问题；相反，它能够使得光合作用马上恢复，提高合成效率。
改良烟草面对随时波动的太阳光照，能够吸收更多二氧化碳，而且把有机物质的合成总量提高 20%。听到这里也许有人会说：“这不就是转基因吗？现在很普遍，而且争议很大。”
2016 年“福布斯”杂志就开展了为期一年的专栏，让公众讨论这个话题。其中最主要的反对理由就是质疑转基因或者我们常说的基因修饰（ Genetically Modified Organism GMO ）究竟能不能给社会带来更多食物。但是这一次，对于刚刚介绍的超级光合烟草，无论是科学界还是像“纽约时报”这样的大众媒体都赞誉不断，并且认为这项新突破很有可能是推动新一波绿色农业革命的开始。
既然烟草不能当饭吃，为什么大家还一致认可它呢？
首先，我们必须认识一下这个项目的主导人，美国伊利诺伊大学香槟分校（ UIUC ）的 Stephen Long 教授。Long 教授不仅是当代植物科学和农业技术的领军人物，而且长期作为美国政府和欧盟的科学顾问，在粮食安全和生物能源方面参与大政方针的制定。
近几年，他的工作主要包括两个方面：
建立理论模型，对未来全球粮食生产能力作出评估和预测，寻找可能的突破方案；
利用生物技术验证其方案，力求提高农作物产量。
根据他的理论：现有的农业体系无法满足我们未来的食物需求。以水稻为例，1970 年到 1980 年间，全球水稻的平均单位产量增加了 36%，而 2000 年到 2010 年只增加了 7%。而另一方面，到 2050 年，全球食物的总需求量预计会比现在增加 85%。也就是说，尽管我们每一年都能收获更多的粮食，但是农业产出的增速还不够快，它跟不上全球人口递增和需求扩大的速度。
实际上，我们很难在全球范围内调控光照资源、二氧化碳水平、耕地面积和水资源等这些支配农作物产出的因素。而通过提高光合作用效率来获取更多食物就成为了我们为数不多的选择。
Long 教授的超级光合烟草就是这个概念可行的原型机。因为光合作用在绝大多数植物上都基本相同，这就意味着此项技术可以向所有为我们提供食物的作物、蔬菜、果树进行转化。相比传统育种 5% 以下的增产幅度，光合烟草 20% 的增幅让所有人都没有理由去质疑和反对。
Long 的转基因烟草（超级光合烟草）比非转基因的同类产量要大 20%，因为它的光合作用累计了更多的有机物。这就意味着，它需要更大的生长空间、更多的养料和水分——成本也就增加了。但是，对于收获整株的蔬菜或者植物产品来说，这个不是问题。
目前，Long 的团队正在进行技术上的优化，保证成本问题不会发生。目前，他们把这三个基因在整株烟草上过量表达。也就是说，所有的组织、植物的各个部分都实现了防晒的快速关停。下一步，他们计划只在特定组织里（比如果实、种子）提高光合效率。这样一来，植物生长的大部分时候并没有什么特殊，也不会增加成本。但是能产出更大的果实、种子。
那么，这项突破是否一定会实现新一轮的绿色农业革命？也不是。
无论科技发展到什么程度，只要产出粮食这个目的没变，农业就始终包括“输入”和“输出”两个部分。前者是指种植什么，后者是关于怎么种、怎么管理。即便是让植物工厂的生产效率提升了，也需要后期管理来实现最大程度的食物“输出”。这部分的推动力主要来自于中小创新企业。
举个例子，Phytech 是一家提供植物芯片的公司，于 1998 年成立于以色列。尽管已经成功的进行了首次募股 ，但是发现农民无法从他们芯片采集的大量数据里获得有效信息。2011 年 Phytech 又重新出发。除了以往给植物佩戴的传感器，他们加入了新的感应元件，检测土壤湿度和田间微环境。所有数据在云端计算，汇总到用户的手机端应用。
它实现了实时监控和植物生长全过程的数字化记录，并且为用户决策提供建议，以保证低投入、高产出。这一新的农场管理平台现在已经可以为 20 种常见作物、水果提供服务，涵盖果园、大田、温室三种环境。
目前，在以色列有 60% 的棉花农场、在美国有 40% 的西红柿农场使用了 Phytech 的服务。除了类似的精准农业以外，农业技术类的创业公司还涉及：智能农场管理系统，无人机高空监测和机器人辅助，智能灌溉和新一代室内农业系统等等。
对中国而言，我们拥有世界上最领先的“输入”资源，比如杂交水稻。对于其他供应不足的植物产品可以考虑通过优化光合效率来提高产量。最新的 CRISPR 基因编辑技术完全可以在不引入外源基因的情况下达到这个目的，而且时间大大缩短。
相比之下，我认为现阶段中国农业最需要的还是提高“输出”。政府和农业界的企业应该学习、引进先进的新科技，对现有体系进行升级和改造，实现中国农业的数字化、智能化。
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