AgBiobob体育登录Research

著名的《星际迷航》的开场白“勇敢地去没有人去过的地方”很适合描述今天在实验室里辛勤工作的光合作用科学家。然而，他们的目光并没有转向星星，而是固定在显微镜下。他们的使命是:养活2050年可能达到90亿的全球人口。为了实现这一壮举，人类需要一场新的农业革命来继续提高作物产量。

自20世纪60年代的绿色革命以来，人类采用了化肥、农药和高产作物等技术来实现这一目标。他们还没有完全理解光合作用的核心，这是植物和一些微生物如何制造自己的食物，并滋养地球食物链的其余部分。

在最基本的情况下，光合作用使用三种成分——阳光、水和二氧化碳₂) -制造为生物提供燃料的糖。问题就在这里。在作物植物中，从太阳捕获的光能最多只有5%最终成为适合人类消费的生物质。剩下的95%的阳光被反射或损失了。理论上，5%的数字可能更高。但是提高光合作用的效率是复杂的，因为这个过程涉及到数百个部分，它们以一种严格编排的方式共同工作。没有任何一门科学学科能够单独破解这个系统。

在密歇根州立大学能源系植物研究实验室bob体育登录在这个由12个实验室组成的跨学科团队中，科学家们正在设计新的工具和方法来解决这个问题，并更好地理解光合作用在“现实世界”中的工作原理。以下是他们最新研究的简要介绍。bob体育登录

构建光合作用的整体图景

几十年的研究已经使我们bob体育登录对光合作用的主要工作有了基本的了解，但科学家们还没有描绘出光合作用是如何进行的整个系统运行。光合作用包括在不同时间和物理尺度上起作用的成分，从植物细胞中的亚毫秒化学反应到树叶在季节中的掉落和再生。

为了建立光合作用的完整图景，PRL的科学家们正在研究植物和细菌的成分——比如那些捕捉阳光的成分，那些制造富含能量的产品的成分，或者平衡系统的调节“阀门”——是如何在不同层次上相互交流的。

在细胞水平上当前位置新的bob体育登录研究揭示了叶绿体(捕捉阳光的隔间)如何不断改变其形状和膜的组成，以适应环境的动态变化。另一项研究表明，光合作用是如何依bob体育登录赖于备用系统来防止崩溃的。这些系统感知生物体周围环境的温度和光照可用性，并利用这些信息相应地加快或减慢光合作用的产生。

在生物体层面科学家们正在证明生物是如何在光合作用和其他代谢需求之间取得平衡的。有些时候光合作用处于次要地位。例如，当植物在躲避危险时——比如毛毛虫开始啃叶子——光合作用和植物生长就会减慢。科学家们怀疑，当处于危机状态时，植物有传感器，将资源集中到生产防御化学品上。这种代谢优先级的转变使植物受到保护，但它夺走了植物生长的资源。

在相关的研究研究bob体育登录人员发现，番茄不能很好地应对同时出现的高温和毛虫威胁。这些植物会保护自己不受毛毛虫的伤害，但这种努力阻止了它们应对高温的有害影响。其结果是温度过高，作物因光合作用减少而衰弱。

在生态层面: PRL的bob体育登录研究人员正在帮助气候科学家改进他们的预测模型。目前的模型假设植物吸收CO的能力₂在光合作用期间将有助于抵消我们的碳排放。最近PRL的研究表明，bob体育登录科学家们可能高估了二氧化碳的含量₂植物可以从大气中吸收二氧化碳，因为当植物获得过多的CO时，它们不能足够快地产生糖₂．到2100年，地球可能最终会十亿吨的碳在大气中比之前预测的要多，因为这个限制。

为了在所有这些层面上研究光合作用，密歇根州立大学PRL的科学家们正在创建新的数学模型和工具来量化光合作用过程，并确定这些过程中降低其生产力的瓶颈。最终目标是找出更好的光合成分，这些成分有朝一日可以被改造或培育到作物中。但是，为了测试植物是否有任何变化实际上改善光合作用，科学家需要走出实验室。

植物在野外生存很艰难

这里有一个来自实验室科学家的常见轶事:一位研究人员发现了影响光合作用的一个组成部分的单一基因突变。bob体育登录你瞧，产量翻了一番——实验室里的突变植物比它的野生表亲长得更大!然后，科学家将这种植物进行“试种”，并在室外种植。几天之内，植物就枯萎死亡了。

在实验室的受控条件下研究植物是进行新发现的完美方法，但这种方法并不能说明全部问题。植物在实验室里被悉心照料。光质是恒定的。温度很舒适。没有毛毛虫吃它们，也没有其他植物争夺养分。

然而，在自然界中，条件是不断变化的。干旱。霜。光在树叶间闪烁，云在天空中移动。光合作用速率必须相应地调整——加快或减慢——这样植物或细菌成分才能和谐地工作。破坏了这种平衡，植物就会产生有害的化学物质来杀死它。例如，在晴天，植物会得到很多阳光。如果它们让强烈的能量流在没有任何控制的情况下穿过树叶，捕捉光线的系统就会过载并崩溃。(这就像在一辆刹车失灵的汽车里超速一样。)作为回应，植物会释放一些光能作为热量来减缓光合作用，缓解压力。

这是植物如何灵活的一个例子。它还说明了在实验室中改变一个基因如何破坏植物的内部监测系统，并威胁到它在现实世界中的生存。PRL的科学家们正在开发新的工具来探测这些制衡，以便有朝一日能够智能地改善光合作用。

其中一种工具将实验室的复杂技术应用到现场。一种手持设备，叫做MultispeQ它可以夹在一片叶子上，吐出大量的光合作用和植物健康数据，甚至可以识别那片叶子中哪些基因可能更活跃。收集到的数据被上传到开源云服务，世界各地的科学家、育种者和农民都可以对其进行分析。

另一个工具将自然带入实验室。生长室让科学家们能够重现天气模式——比如多云、炎热的天气——并在实验室里对植物进行高通量测试。该室配备了摄像机，可以实时生成光合作用活动的热图。科学家们可以观察他们的植物如何反应，小到单个叶子的水平，对周围环境的影响。

这些新工具正在产生产生新见解的大数据集。PRL的科学家现在可以预测一些幼苗在收获季节会产生多少生物量。他们还揭示了某些光合作用部分内部的电化学平衡如何减缓或加速整个光合作用过程的微小细节。还记得5%的生物量吗?新的工具向我们表明，提高生产率将是困难的。大自然巧妙地调节了光合作用，以平衡生产力和安全性。我们仍在努力理解这一平衡之举。

蓝藻细菌和光合作用驱动的未来技术

我们需要回到数十亿年前，将光合作用的起源追溯到一种叫做蓝藻．蓝藻细菌很小，每个个体比人类的头发还小25倍。但这些微生物成群地主宰着地球上的许多生态系统——从依附在北极冰山上的微生物到生活在黄石国家公园温泉边缘的微生物。蓝藻名声不好，因为它们偶尔会在海洋或湖泊中引起有毒的水华。但作为最多产的光合生物之一——甚至比植物还要多产——这只是一个小小的反面。

蓝藻是光合动力的主要原因是，与植物不同，它们包括微型隔间纳米工厂-储存一些光合资源和加工机械。把材料放在狭小的空间里，可以消除效率低下的现象，提高生产力。PRL的科学家是第一个这样做的生成详细的快照一个完整的纳米工厂及其外壳的原子级分辨率。能力看到纳米工厂已经打开了研究的闸门，科学家们目前正在研究纳米工厂bob体育登录的外壳是如何组装的。

受到纳米工厂生产力的启发，PRL的科学家们计划建立人工纳米工厂，并对其进行定制的机器改造，以增强光合作用，甚至为新的应用提供动力。想象一下:一个人工nanofactory为我们的飞机和汽车生产可再生生物燃料;另一种是生产工业材料，如橡胶(目前来自树木或石油);或者是生产癌症药物，可以像激光一样精确地瞄准受影响的细胞。

这些都是梦，但研究人员正在使用一种新的方法，bob体育登录叫做合成生物学把梦想变成现实。合成生物学家就像工程师一样，研究单个的生物部件，并利用这些信息来创造新的部件或整个活细胞，或重新设计自然界中已经存在的系统。目前，科学家们已经有能力在试管中生产完全成熟的纳米壳——全部是在实验室合成的。bob体育登录研究人员还在开发将原材料或加工机械插入纳米工厂的方法。作为概念的证明，他们已经成功地将无机(金颗粒)和有机(荧光蛋白)材料整合到人造纳米工厂中。

蓝藻在数十亿年前进化出了光合作用，并在地球上开创了复杂的生命，这似乎是合适的，它可以帮助我们解决今天的能源和气候问题。

即将到来的光合作用革命

从看不见的纳米工厂到我们周围的植物，都有大量的光合能量可以利用。科学需要时间来利用这一潜力。这项工作需要全球科学领域和实验室之间的合作。请记住，这一努力不仅有益于人类。农业面临的新挑战——如昆虫入侵或由气候变化引起bob体育合法吗的极端天气事件——就是其中之一存在的威胁光合生物。与我们不同，这些生物无法逃离不利的环境。他们可能需要我们的帮助才能生存。