你能想象美国，加拿大，墨西哥，巴西，英国和法国的整个人口都在挨饿吗?你不需要想象。这正是每天全球估计有8.15亿人挨饿的情况。从短期来看，随着人口增长，饮食变化和城市扩张迫使农民在较少的土地上生产更多的粮食，问题可能会变得更加严重。最近的报告表明，到今天出生的孩子达到30岁时，地球必须将粮食产量提高至少70%。

作为一名生物化学家，我的职业生涯始于生物医学研究，但2013年我转向农业研究，因为每个人都需要吃东西。现在，我正在与一个探索如何促进粮食生产的国际研究项目合作。实现提高光合效率(RIPE)的目标是提高光合作用的效率- 过程工厂用来将太阳能转化为我们吃的食物。在我们最近的出版物中，我们已经证明，通过使植物更快地排除其毒素，可以显着提高作物产量。

现在我们开始开发新作物至关重要，因为农业创新至少需要十年才能到达农民手中。

光呼吸是一种能量需求过程

在光合作用方面，植物利用阳光为化学反应提供动力，将二氧化碳和水转化为糖，氧和能量。但这并不是植物中唯一发生的化学反应。蛋白质进化过程中的一个怪癖叫做Rubisco，有时它不是在光合作用过程中转化二氧化碳，而是使用氧气代替。这会产生诸如乙醇酸和氨的废物，这些废物可能对植物有毒并且减缓或阻碍它们的生长。

为了去除这些有毒化学物质，另一个过程需要开始。光呼吸是天然植物新陈代谢的一部分，可以回收这些毒素。这是主要作物的必要过程，包括大米，小麦和大豆，以及大多数水果和蔬菜作物。

回收这些有毒的副产品会吸收大部分植物的能量 - 并且可以抑制植物的生长超过30%。在较高的温度下，植物倾向于增加它们转化的氧气量，因此随着生长季节温度的升高和热浪的袭击，光合作用产生的光能量高达50%可用于回收主要作物如小麦等的毒素。大豆。这削弱了世界上较热和较干旱地区的产量，例如最需要食物的撒哈拉以南非洲和东南亚地区。

为了满足日益增长的粮食产量需求，我与一个国际团队合作，探讨加快光呼吸是否会提高作物产量。

使光呼吸更快

这项工作由Christine Raines教授和埃塞克斯大学和美国农业部农业研究局(USDA-ARS)的主要作者Patricia Lopez-Calgano领导，探讨了这种修改是否可以促进烟草植物的生产。

我们设法通过设计生产更多蛋白质的植物来加速这些毒素的再循环，这种蛋白质被称为H蛋白，已经存在于我们的作物植物中并在光呼吸中发挥作用。以前的工作中使用植物研究的小植物拟南芥的“小白鼠”的实验室，建议增加H-蛋白的数量会加快光呼吸，使我们的植物生长较大。我们的团队使用烟草烟草(Nicotiana tabacum)将这个想法从实验室转移到田间，我们在伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校附近的研究现场工作，我在那里担任USDA-ARS科学家。

我们很快发现，我们必须仔细控制我们设计的H-蛋白质的数量。植物的所有部分中过多的H蛋白是有害的，阻碍了生长并降低了烟叶的产量。因此，我们微调了我们的方法和工程植物，只在叶子中制造H蛋白。这增加了光合作用和植物生长，可能是因为有毒化学物质的更快回收。

利用生物技术改善作物

我们在烟草中测试了我们的假设，因为它是概念验证研究的优秀模型。它很容易进行基因工程改造，只有四个月的生命周期，这使我们能够在一个野外季节进行多次试验。这使我们能够测试烟草中的各种遗传修饰，然后将这些发现转化为目标粮食作物的改良。

为了微调H蛋白的表达，研究小组使用来自近亲，马铃薯或马铃薯的DNA来设计烟草。使用已知的马铃薯DNA序列，我们能够在所需的叶组织中特异性地增强H蛋白。事实证明这是在不损害工厂的情况下提高产量的关键。

最初，我怀疑在植物中增加数千种单一蛋白质的产量会对作物产量产生如此巨大的影响。但是，经过两年的田间试验，我和我的同事已经证明，增加H蛋白水平会导致更大的植物，使作物产量提高27-47%。

你可能想知道含有额外H蛋白的植物是否可以安全食用?现在回答这个问题还为时过早。一旦我们设计出“高H蛋白粮食作物”，这些植物必须被证明是安全的，其中包括过敏原和环境影响，然后这些转基因植物才会获得FDA和USDA的批准。

这些产量较高的作物将是转基因生物

由于部分DNA来自外源(马铃薯)，因此这些植物被认为是转基因生物或转基因生物。毫无疑问，将转基因生物作为我们食物来源的一部分的想法是相当有争议的。

许多人拒绝使用转基因技术，一些国家禁止或限制其食品供应。然而，许多研究表明，转基因生物可以安全食用，包括美国国家科学院，工程和医学院的这份明确报告。我们认为，利用这项技术提高作物产量非常重要，因此农民和消费者可以获得许多高产选择。

创造新作物有不同的技术，包括传统的作物育种技术，转基因生物和最近基于CRISPR的基因编辑技术 - 这使我们可以直接重写植物的DNA而不添加外源基因。但无论采用何种技术，目标都是相同的：生产能够在农民田里茁壮成长的植物，为每个人创造更安全和可持续的食物供应。

我们的下一个目标是提高重要粮食作物中的H蛋白水平，包括豆类 - 大豆和豇豆 - 以及作为全球主要主食的块根木薯。如果我们能够将这些目标植物的产量提高27%至47%，与本研究中观察到的相似，那么到2050年实现另外20亿至30亿人口的目标将大大有助于实现这一目标。