自从托马斯·马尔萨斯(Thomas Malthus)在1789年发布了他的可怕预测，即人口增长总是超过食物供应，科学家们一直试图证明他是错的。到目前为止，他们通过开发更大，更好的作物品种和其他农业创新，帮助农民保持同步。

现在，研究人员正在采取更加大胆的步骤：对植物进行重新编程，使光合作用更加高效。它似乎有所回报。根据周五发表在“科学”杂志上的一项研究，经过基因工程优化光合作用的烟草植物比其常规亲属高出40%。英格兰利兹大学的植物生物学家Christine Foyer说，“这很美，真的很优雅。”他没有参与这项工作。

科学家们已经开始研究光合作用，因为它提供了少数几种可以大幅提高作物产量的选择。植物育种者已经选择了能够生产更多我们想吃的东西的有活力的品种 - 无论是叶子，果实，根或种子 - 当在理想条件下生长时。

该研究的资深作者伊利诺伊大学香槟分校的植物生物学家Don Ort说：“我们真的需要能够操纵光合作用，因为它真的就是这样。”

幸运的是，理论上至少还有很大的改进空间。尽管它能够建造高耸的红杉和广阔的珊瑚礁，但光合作用是一个相当低效的过程。只有一小部分可利用的光被用来产生糖和其他碳水化合物。

“光合系统已经发展到非常灵活，而不是完全最优，”Foyer说。“有妥协。”

部分问题是工厂花费大量精力来补偿操作系统中的错误。

它涉及一种叫做RuBisCO的酶，它的作用是捕获二氧化碳分子并将它们送到装配线上。

当光合作用在数十亿年前首次发展时，这个过程非常有效，因为大气中没有氧气。但是一旦它建成 - 当然要感谢光合作用的浮游生物 - RuBisCO意外地开始锁定错误的气体。

得到的化合物不仅无用而且有毒。因此植物必须找到一种方法将其转化为安全和功能性的东西。

不幸的是，Ort说，“植物选择的方式变得既复杂又耗能。”

他们的解决方案包括将发生光合作用的叶绿体外的不需要的分子穿梭到另一个称为过氧化物酶体的细胞器中。从那里开始，它进入线粒体，然后以更容忍的状态回溯到叶绿体的路径。

这种称为光呼吸的繁琐过程消耗了植物已经储存为糖的一些能量，并将作物产量降低了20%至50%。

“固定氧气就像抗光合作用一样，”奥特说。

所以他的团队决定更新光呼吸算法。

他们采用了易于使用的烟草植物，并在其DNA中插入了新的基因，为处理不需要的化合物创造了捷径。他们尝试了三种替代方案，其中两种是由其他科学家开发的。研究人员还沉默了一个基因，以防止分子首先离开叶绿体。

“这真是一个非常非常复杂的工程，”Foyer说。

修改工作奇迹。在温室实验中，工程化植物的生物量比未改变的对应植物多出近25%。田间试验 - 测试新作物的黄金标准- 甚至可以获得更好的结果，一些植物的亲属生产率提高了40%。

“其中一些，我们认为，是由于复利，”奥特说。幼苗生长得更快，叶面积增加，这使得它们的光合作用更强。

研究人员已经开始对大豆和土豆等粮食作物进行相同的改变。

“没有理由怀疑你不会有类似的结果，”Foyer说。然而，它不适用于玉米和甘蔗等作物，这些作物具有不同的固碳方式。

Ort的团队还与伊利诺伊大学的另一个团队合作，该团队设计烟草工厂以利用更多光线，从而使生产率提高15%。

“我们现在正处于我们所谓的堆叠这两个特征的过程中，”奥特说。模型表明，这些好处将会增加，将生产力提高50%以上。但是，奥特告诫说，“在你做实验之前，你不知道。”

这两项努力都是RIPE项目的成果，该项目代表着实现提高光合效率。其动机很简单：提高作物产量和对抗粮食不安全。(7000万美元的倡议得到了比尔和梅林达盖茨基金会的大部分资金，该基金会要求通过该计划开发的任何作物都可供全世界的农民使用。)

如今，种植者仍然设法通过使用更高产的作物并为其提供大量营养和水来从每英亩土地中挤出更多的食物。但收益已经放缓至每年1%至2%，一些科学家预计这一趋势可能会因气候变化而逆转。

这将使人们难以应对未来几十年人类面临的挑战：到2050年种植足够的食物来养活约97亿人口，并且这样做不会破坏地球。第一次绿色革命成功地大幅增加了粮食产量，但也带来了许多环境问题，包括增加化肥和农药的使用，水污染，土壤退化和侵蚀。

“真的不可能继续我们的方式，”Foyer说。

科学家们说，未来我们必须找到在相同数量的土地上生产更多粮食并使用更少资源的方法。一个解决方案是确保植物能够充分利用它们所拥有的东西，正如Ort的团队对其烟草植物所做的那样，Foyer说：“这就是为什么这很重要。”

研究结果是一个很好的开始，北卡罗莱纳州立大学罗利分校的植物生物学家 Heike Sederoff说。但她表示，研究人员仍需要评估新的光合特性是否会持续几代，以及它是否会使植物或多或少地受到干旱等环境压力因素的影响。

“这些都是需要测试的东西，”她说。

Sederoff说，转基因作物也存在争议，特别是在欧洲和非洲，许多国家已禁止转基因作物。因此，这些作物的潜力部分取决于态度和法规的演变。

但是奥特说时钟正在滴答作响。新作物从实验室到农田需要12到15年的时间，这意味着如果他的团队或其他人确实设法开发出更有效的品种，他们将不会在2030年代中期开始使用。

根据最近的一项估计，到本世纪中叶，粮食产量必须增加25%至70%才能满足需求。

“确实有一些紧迫感，”奥特说。