科学家希望基因研究能洗刷棕榈树的坏名声

改造世界最讨厌的作物

我们没有更多土地种植棕榈树,所以我们除了让棕榈树产油量更高之外,没有别的选择。

缅甸待处理的棕榈果 图片来源:Taylor Weidman

缅甸待处理的棕榈果 图片来源:Taylor Weidman

在马来西亚首都吉隆坡附近Orion Biosains公司的一个实验室中,机器正在轰鸣着,Nathan Lakey要喊着说话才能被听到。这个噪音之源正是Lakey为之骄傲的一件事,它是一个像微波炉大小的自动化组装机,正在噼里啪啦地把塑料部件组装在一起,并用激光蚀刻方法在它们表面标上序列号。这些是叶片穿孔设备,是为了印度尼西亚、马来西亚和缅甸而设计的。美国生化学家、Orion首席执行官Lakey希望它们能够革新一个存在负面影响的领域。

棕榈树是一种往往会引起大规模森林砍伐、人权侵犯和猩猩死亡的商业树种。印尼和马来西亚生产了全球85%的棕榈油,那里超过1600万公顷的包括雨林、泥碳沼泽和传统橡胶种植园在内的土地被棕榈树占领,而且相关产业发展并没有减缓迹象。

尽管声名狼藉,但棕榈树却是全世界产量最高的油类作物。每公顷油菜子产油量仅相当于棕榈树的1/6,而大豆产油量仅是其1/10。但是棕榈树种植园仍未从植物中获取足够产出。

其主要问题是基因和表观遗传变化导致一些棕榈树产量下降。因为棕榈树成熟较慢,通常种植者需要三四年时间才能知道他们种植的树木是表现优异的果树还是没有价值的木材。

这正是Orion加入其中的原因。当叶片穿孔设备被送往东南亚并返回之后,Orion技术员会对这些绿色圆片进行分析处理,并向种植者发送一份针对子苗的报告。Lakey预测,如果大规模采用,这些测验每年将会让产业收入增加40亿美元。重要的是,它可以在不扩展种植园面积的情况下做到这些。“我们可以在同样规模的土地上生产更多棕榈油,这有助降低森林砍伐的压力。”Lakey说。

壳厚油少

棕榈树种植园覆盖吉隆坡北部、东部和南部。尽管这些植株看上去似乎相同,但种植者知道有3种种子,它们会产出明显不同的油量:杜拉、花柏和特内拉。杜拉种子会产出壳厚而油少的果实;花柏的种子通常会在发育过程中死亡,不过如果它们能够生产果实,那么常常是无壳的;特内拉的种子是花柏和杜拉的结合物,会生产壳薄而富油的果实。

控制外壳厚度的基因被创新性地命名为SHELL,该基因是Orion、纽约冷泉港实验室和马来西亚棕榈委员会(MPOB,位于吉隆坡附近的一个政府研究机构)的研究人员在2013年发现的。

通常,育种者会通过采集雄花柏的花粉并将其授粉给雌性杜拉来获得特内拉种子。这些种子成熟后会在9个月后发芽。幼苗需要在苗圃中培育1年,然后才能被种在地里,而且新树不会在三四年内结果。

育种通常会耗费大量时间,却不一定能产出最好的种子。所以,在20世纪70年代,科学家想到了克隆。研究人员认为可以切开产量最高的棕榈树树干的顶部,从中提取出干细胞,然后在实验室中进行大规模克隆。起初,克隆有助增加种植园产出,但在1977年,一些奇怪的事情开始出现。

当时,Tan Yap Pau是位于马来西亚的名为联合种植园的丹麦棕榈油公司的作物育种专家和研究人员。有农林助理员看到种植着克隆树种的大片土地上结出的果实很奇怪,它们外表坑坑洼洼、已经变形,有些像郁金香的形状。Tan在研究中了解到小棕榈树会在培养皿中发育异常,他把这些畸形的果实看作是一个坏兆头,很多果实根本没有产出油。

研究人员花费了近40年才解开这个谜题。2015年,MPOB植物生物技术专家Meilina Ong-Abdullah和Tan的侄女均发现了这个罪魁祸首。他们发现Karma(DNA的一个移动片段即转位子)插入到对棕榈果实生长非常重要的一个基因DEFICIENS的中间。细胞能够通过黏附甲基团使转位子静默。当Karma高度甲基化时,果实会正常生长(科学家将此称为好的Karma)。但低甲基化(坏的Karma)则会导致果实异常。

除了选育特内拉种子之外,棕榈树中还有其他特征可被挖掘并进行优化。MPOB植物育种专家Rajanaidu Nookiah用30年在全球游历,以了解棕榈树的自然变异。他已经积累了11万余种棕榈子苗,这是全球规模最大的收藏。他的样本拥有植物育种专家希望在棕榈树中看到的许多优点。

叶片穿孔分析

Lakey认为,单是了解SHELL和Karma就可以对产业带来巨大影响。在理论上,种植者每年可从1公顷棕榈果实上压榨出18吨油,但目前他们平均每年仅能压榨出约4吨油。小规模种植者的情况尤其糟糕。由于没有室内设施帮助育种及分辨好的植物,他们1公顷地的产量仅能达到大种植园的一半左右。

Lakey希望Orion销售的叶片穿孔工具能够让小规模种植者受益。每棵树仅用4美元,Orion就可以鉴定出拥有好的Karma的杂交特内拉树种,并在投入过多时间和金钱之前帮助农场和苗圃剔除掉那些没有产量的树木。该公司还计划结合其他基因,比如在果实成熟时使其颜色变化更加明显的基因变异。这会减少收获不成熟水果的可能性。

但与小规模种植者沟通是个问题。他们通常或者是独立的,或者是一些合作项目的一部分,在附近公司那里获得种子和帮助。在马来西亚,种植小户会从经过MPOB认证的一些值得信赖的棕榈育种公司那里获得子苗,但是在印度尼西亚却没有质量监控措施。

如果农民不能得到可靠的苗圃或是没有钱购买高质量种子,那只能是树上长什么就是什么。通常情况下,富含油的特内拉杂交系的后代获得高产量后代的几率仅有一半。研究人员发现,非特内拉棕榈树占马来西亚小种植户的子苗的11%。

这不仅仅关于种子。很多农民买不起优质化肥,更别说掌握最好的耕作方法了。“这些种植小户并不需要拥有更好基因的种子。”巴拿马联合国开发计划署绿色商品计划全球主任 Andrew Bovarnick说,他从2010年开始就在印度尼西亚工作。此外,小种植户种植产油量高的树种的激励措施也几乎没有,因为他们通常论公斤出售果实。一些农民了解到变异的果实会吸收水分,并在夜间生长,他们于是利用这一情况获得利润。

“小种植户知道污染的存在,但他们不在乎。”Lakey说。他补充说,一些榨油厂正在开始评估果实的质量而非重量,这会形成激励。然而也有人怀疑是否有技术能够弥补棕榈树的狼藉名声。

没有别的选择

在印度尼西亚和马来西亚,国际投资者、公司和本地政府的经济和政治议程也可能会阻碍Orion的努力。雅加达环境保护和恢复非营利组织Belantara基金会执行主任Agus Sari近日表示,较弱的法律实施也是一个主要挑战。大种植园会贿赂当地官员以获取另外的土地名头,使其他人很难合法获得它们。据Ong说,马来西亚的情况与此类似。

尽管存在这些挑战,Lakey并没有被吓退。回到喧嚣的实验室,技术人员正在分析样本,他们每天可分析1000多份,Lakey希望开始将穿孔工具发往非洲、南美和泰国,每年可分析1000万个样本。驱动他和其他合作者的一部分原因是因为了解到棕榈油的需求仍在上涨,尽管种植棕榈树的土地在减少。全球棕榈油需求到2030年和2050年将会分别为2000年需求量的2倍和3倍。

“我觉得其他作物将不能满足全世界的需求。”MPOB先进生物技术和育种中心生化学家、原主任Raviga Sambanthamurthi说,“我们没有更多土地种植棕榈树,所以我们除了让棕榈树产油量更高之外,没有别的选择。”

《中国科学报》 (2017-04-27 第3版 国际)

来源:news.sciencenet.cn

标签:科学家

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