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作家相片中國科技大學

《大學永續USR x SDGs週報》-生物工程氣候適應作物以保障全球糧食安全




糧食安全對於人類的成功至關重要。研究人員正在對氣候適應型作物進行生物工程改造,以解決糧食問題。

● 糧食安全與作物脅迫

根據國際氣候變化專門委員會(IPCC)糧食安全特別報告,氣候變化正對糧食安全造成威脅,透過氣溫劇增和極端氣候的產生導致病蟲害傳播加劇,進而對農作物生產產生負面影響。 根據目前的溫室氣體(GHG)排放量,預計到 2100 年,將近一半昆蟲的分布範圍將擴大50%。昆蟲通常被歸類為可攜帶疾病、感染農作物的害蟲,這表示更大範圍的昆蟲分布可能會威脅到比目前多50%的土地。

《自然》雜誌於 2023 年發表的一篇文章認為,真菌病害導致全球農作物每年損失10%至23%,而且由於氣候危機劇增,預計該病害在未來幾年將進一步蔓延。事實上,氣溫升高將使真菌類疾病更容易生存並傳播,從而降低農作物產量。全球農作物生產面臨的威脅將導致糧食價格上漲和飢餓率上升。

● 要點

在全球範圍內,有40%以上的人口之熱量攝入來源自三種重要作物:小麥、水稻和玉米。隨著全球氣溫逐漸升高,農作物歉收的可能性也隨之增加(作物歉收是指因溫度過高,植物無法授粉,從而導致死亡)。 例如,三種基本糧食作物的失效溫度如下:

  1. 小麥:34°C/93F

  2. 米飯:35°C/95F

  3. 玉米:35°C/95F

如果小麥作物的溫度達到或高於34°C(93F)就會死亡;而如果水稻或玉米作物的溫度達到或超過35°C(95°F)就會死亡。 氣溫升高正在威脅全球大部分人口的熱量攝入來源,此外,隨著人為迫使二氧化碳濃度增加,它會進而改變作物生長和營養成分。具體來說,當穀物和豆類等農作物暴露在二氧化碳濃度較高的空氣中時,其鋅和鐵含量就會減少。儘管全球糧食系統面臨風險,此變化卻激發了研究人員對氣候適應型作物進行生物工程的創新研究。

● 通過生物工程增強抵禦能力

研究人員正在尋找對氣候適應型作物進行生物工程的方法,進一步實現彈性的兩種方式是透過 pikobodies 和合成基因電路。

《自然》雜誌的一篇文章總結了生物工程作物恢復力的一個例子,研究人員找到了一種在植物中開發合成免疫受體的方法,稱為 pikobodies。Pikobody 被定義為「賦予植物抗體」。為了產生這種合成免疫反應,pikobodies 與植物融合,以提供此植物適應性免疫系統,以抵抗疾病(例如鐵鏽病或枯萎病)和病原體(例如細菌、病毒和真菌)威脅。總之,Pikobodies 可以幫助增強重要作物的抗感染能力和增強抵禦能力。

生物工程作物恢復力的第二個例子是在斯坦福大學所開發的。研究人員正在使用稱為「合成基因電路」的合成基因來改變植被生長模式以適應氣候變化,這些電路幫助植物生長特定的根系和葉子結構,以適應氣候變化所帶來的壓力。此外,特定的根和葉結構有助於植物透過吸收土壤中的養分和水份生長。總體而言,研究的目的是「使植物工程更加精確」,並在氣候變化的情況下提供穩定糧食作物。

● 結論

氣溫升高、極端氣候變化以及病蟲肆虐正在威脅我們的糧食系統,因此我們應比以往任何時候都更加迫切地需要找到保護全球糧食安全的方法。使用 pikobody 和合成基因電路,生物工程師和研究人員可以通過適應性免疫系統和改良的生長模式來提高作物的彈性及生產效率。生物工程增強作物的抵禦能力將成為保護糧食系統的一大關鍵。


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