【人工合成淀粉:迷宫寻途2000天】2015年初,还在国外访问交流的蔡韬接到了马延和的电话:“未来所里计划做人工合成淀粉的项目,凭空制造。”

“凭空制造?这可能吗?”他有点惊讶。

6年后,他们把不可能变成了现实。中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称中科院天津工业生物所)通过复杂代谢途径的从头设计与精准调控,在国际上首次实现电/氢能驱动二氧化碳从头合成淀粉。9月24日,这一研究成果于《科学》在线发表。

图:实验人员在做淀粉遇碘显色试验。 倪思洁摄

△ 从0到1 从无到有

淀粉作为一类重要的高分子碳水化合物,为人类生存提供了所需的热量。1万多年来,农业种植都是生产淀粉的唯一途径。

可植物光合作用的能量效率低、生长周期长,为了应对粮食安全问题,科学家探索出了杂交育种、模块育种、分子育种等办法,还建立了人工光合系统。

“但这些都没有脱离植物本身的固碳模式。就像是跑得再快,本质上还要依靠双脚。能不能跳出这个模式,造一辆汽车呢?”中科院天津工业生物所所长、人工合成淀粉项目首席科学家马延和说。

与此同时,我国的二氧化碳减排压力巨大,而以二氧化碳为原料合成所需物质是摆在所有科学家面前的一道难题。

“利用二氧化碳合成淀粉”,一听说这个项目,即便是领域内的知名专家也纷纷摇头,“植物的光合作用已存在十几亿年,至今还未完全弄清楚系统机制,你们能从头合成”?

大家的质疑不无道理,这是从没有人做过的事,翻遍所有文献库,也找不到任何关于合成路径、研究方法的线索。

2018年7月24日下午,中科院天津工业生物所副研究员、人工合成淀粉项目经理蔡韬在实验室楼上的会议室里,准备参加中科院重点项目阶段评审会。自立项以来,他和同事已试验了两年多,尝试了无数次,但都以失败告终,眼看着为期3年的项目就要完结,他们的压力积攒到了最大值。

3点多钟,蔡韬接到了实验室技术员乔婧发来的一张照片。照片中并排的3个试剂管,中间的碘溶液呈淡淡的蓝紫色,与左右两边的无色和深蓝色状态对比明显。

“两边的是对照组,中间的是最新一次的试验结果,与碘溶液反应变蓝。”乔婧说。

蔡韬立即打电话确认,得到肯定的回复后,仍不放心,一路小跑至实验室,直到亲眼见到试剂管,他才抑制不住地喊道,“太好了!太好了!我汇报时终于可以说‘制造路径全线打通’。”

技术员孙红兵记得,那天大家都很开心,蔡老师一改往日的严肃,脸上挂满了笑容。

“相当于长征路上的遵义会议。”“那真是我见过最美的颜色。”蔡韬对《中国科学报》记者说。

至此,人工合成淀粉正式迈出了“从0到1”的一步,人类对于生命科学的认知边界又拓宽了一点。

△ 迷宫寻途 从有到优

成功的喜悦抹平了此前所有的遗憾,以至于他们在讲述研究历程时,会下意识地将前期困难一笔带过。

可最初接到这一项目时,就连他们自己都不相信能做出来。自然反应中,淀粉合成与积累涉及约60步代谢反应和细胞器间运输,在工业生产中,必须将其简化,又必须保证所有反应的充分和精准。

因此,如何将农业中复杂的合成途径简化为工业生产所需的简单合成途径,是人工合成淀粉面临的最大挑战。

经过计算机算法挖掘和筛选,研究人员在起点二氧化碳和终点淀粉之间,最终锁定了30条可能的路径,每一条包含9~12步重要反应。

每一条可能的路径都是一座“迷宫”。他们就处在每座首尾相连、层层嵌套的迷宫入口。每一座迷宫中又有数个“关卡”,也就是生化反应,想要过关,必须寻找到相应的“钥匙”,即能催化反应的特定的酶。

等到好不容易通关时,往往还是见不到淀粉。毕竟可能的路径有30条,只有走对了唯一的一条,才算成功。

“这些被看作‘钥匙’的酶可能存在于自然界中,也可能并不存在,需要重新设计。最难的是,不同于‘一把钥匙开一把锁’,同一个酶能催化多个反应,但又会带来‘副作用’。”蔡韬说。

6年中,有近一半的时间,他们都卡在这些不同的路径里,有时找不到高效催化反应的酶;有时酶会优先和前面的底物反应,而后面的底物无酶可用;有时只能走通某一部分。

为了通过迷宫中的层层关卡,蔡韬等人与十几个课题组合作。“一个团队力量有限,希望能找到细分领域里最专业的人来合作。”他说。

那时的孙红兵、乔婧都变得异常敏感,她们怀疑自己做的每一个步骤。“可能是溶液加错、剂量没看准,是自己犯了低级错误”。可每一次重复后,她们不得不面对的事实是,操作没有错误,这条路行不通。

“与课题组同时进行多个课题不同,我们是项目制管理,6年中只有这一个项目,所以无论遇到什么都不会放弃。”蔡韬说,“最坏的结果就是失败,科研中的失败再正常不过,大不了从头再来。”

一次,蔡韬外出交流,会上有位科学家提出“利用二氧化碳电/氢还原合成甲醇”。“听到这个思路的一瞬间,我打了个激灵,脑子像通了电一样。我们是不是能以此为鉴,先将二氧化碳转化成甲醇,再将甲醇合成淀粉?”他说。

后来,便有了那张碘溶液呈淡蓝色的照片。

9月15日,《中国科学报》记者在中科院天津工业生物所看到,蔡韬手持一个15毫升的离心管,里面装有大半管的白色粉末,他介绍,“这是利用二氧化碳合成的第一管淀粉,与植物提取淀粉一模一样。”

如果说2018年他们完成了“从无到有”,那么从2018年至今,他们实现了“从有到优”。

△ 走出迷宫 探寻未知

在人工合成淀粉的试验中,蔡韬要找“最简单的路径”,在生活中,他也是如此。从家里到研究所,通常他会选择转弯最少、红绿灯最少的那一条路,慢慢地走。“这条路最直,行人也少,便于专心思考问题。”他说。

在孙红兵看来,蔡老师太想做成了,他满脑子都是项目,只要讨论试验,他的双眼便会立刻亮起来,声调也变得丰富。

“最让我感动的是,为了让我们专心试验,他会铺好所有的路,大到试验设计、与其他合作者沟通试验技术,小到买三角瓶、试剂管,6年来的每一天,他一刻都不愿耽搁。”孙红兵告诉《中国科学报》。

也正是如此,他们才能在相对短的时间内,完成对关键酶的定向改造,耦合从二氧化碳到甲醇的化学过程与从甲醇到淀粉的生物过程中反应条件的兼容,最终将合成效率提高130倍。与植物自然生成相比,其碳转化率提高了20~40倍。

实验室的小会议室,见证着他们的每一次讨论与争执,也见证着71页论文文稿的55次修改。

“蔡老师对文稿熟悉到什么程度呢?前几天我们需要查两个单词,单词所在的页数和位置,他脱口而出。”孙红兵说。

有一次,蔡韬改累了躺在床上休息,收到中科院天津工业生物所研究员江会锋发来的一个链接,标题中,他隐约瞥见了二氧化碳、淀粉的字眼,当即从床上弹起来,困意全无,心怦怦地跳,“不会有人已经做出来了吧”,他紧盯着手机加载条,直到看完摘要才长舒一口气,“原来是不同的研究,虚惊一场”。

科学研究令人着迷和残酷之处均在于此,当研究者身陷迷宫,在各个关卡奋力拼搏时,往往不知道领域内有多少位“竞争者”,更无从得知彼此的进度。他们只能逼迫自己快一点,再快一点,因为开拓者的桂冠只属于最先到达的人。

2021年8月,《科学》审稿通过,且不需补做任何试验。审稿专家认为,该工作“是一项里程碑式突破,将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响”。

时隔6年,蔡韬等终于走出了迷宫的弯弯绕绕,来到了更广阔的天地,他是世界上第一个走到这里的人。他很自豪,更重要的是,他想继续往前走,去追求更大、更多的未知。https://t.cn/A6Mfhbc7

紫阳花的名字来自于白居易。京都的三千院是紫阳花名所,院中层层叠叠地盛放美得不行。
我印象更深刻的是三千院沿途家家户户都种着的那些紫阳花,或盆栽,或依在墙角的花坛里,有的则从院墙里冒出来,每走几步就给你新的色彩和形态。

今年种花的运气暴涨,沉默多年的盆栽都开花了,我想既然没法走远赏花,不如把它端回家,于是就有了这盆。

得到这样漂亮的花植物杀手非常忐忑,最近一直在研究种植方法,准备了肥和药,怕浇不够水又担心淹了根,怕晒不到太阳又考虑会不会西晒的阳台光线太毒。每早起来第一件事就跑去观察它够不够精神。拍完照马上端出去光合作用~
真想让它在我手里开出更好的花呀。

棚室进水后大棚这样管
近期许多保护地蔬菜种植区受台风和降雨影响较大,尤其是部分区域因为河水倒灌、水位上涨和雨水倒灌等原因导致雨水进棚,对保护地尤其是温室蔬菜的影响较大。棚室进水后,大棚又该如何管理呢?本期设施农业专题为您解答。
  改土促根 做好综合管理
  全棚划锄棚内的雨水排出后,建议立即全棚划锄,改善土壤透气性。当前植株根系已经扩展下扎,可将划锄深度控制在3厘米左右,且不要靠植株太近。
  使用多用功能性产品对于恶化的土壤,在治理时要采取短期+长期的措施,就短期恶化土壤的改善而言,使用调理剂的效果是最快的。目前市场上的一些以调理剂为主,添加了其他养分(如有益菌、海藻精、腐殖酸等)的肥料可适当延长使用次数,不但改土,还能生根促根。尤其是以有益菌为主的产品,要配合有机肥料长期使用,才能够达到矫正并且保持的良好效果。土壤中有机质能对土壤有很强的缓冲作用,降解盐分,所以以后换茬时,要注意增施有机肥,如使用粉碎后的秸秆或者是稻壳等首先从物理状态上提高土壤的透水透气性。
  清理残株对于雨水进棚后迟迟排不出水的棚室,经过3、4天的浸泡,大多数植株根系坏死。对于受害严重并且挂果的植株,建议及时摘除已经转红的果实,以防影响果实的色泽,降低商品性。摘完果后,及时将残株清理出棚。
  消毒灭菌大棚进水后,土壤黏重,清理棚室后不要着急定植,应充分晾晒,待土壤表层见干后,重新翻地。如果土壤未完全干燥即定植,土壤依然湿度大,重新栽苗后,容易因土壤湿度大导致烂苗死棵。由于雨水进棚后带入大量病原菌,翻地前,可进行土壤消毒。苗子定植后,即可进行正常管理。
  雨水进棚 土壤如何处理
  棚室进水后,容易形成高湿度土壤,导致土壤透气性差,病害高发,诱发系列影响蔬菜正常生长的问题。雨水倒灌后的棚室土壤应该如何进行处理,现做以下提示。
  降低湿度在及时排水后,可以通过大小行划锄的方式,打破土壤的表层郁闭;利用晴好天气,加大通风量,增加土壤当中水分的蒸腾量来降低土壤湿度。有条件的棚室,可以选择操作行铺撒稻壳或作物秸秆的方式,也便于土壤水分降低和利于棚室内操作。
  及时杀菌雨水进棚后,形成的高湿度环境,为病原菌的繁衍和侵害创造了有利条件,尤其是一些土传性病害,更应该引起大家的重视。土壤杀菌可以分为两步走:第一步,做好排涝后的土壤表层杀菌,可以选择广谱性的杀菌剂,如百菌清、甲基硫菌灵、多菌灵,细菌类药剂可以选择铜制剂、春雷霉素或噻唑锌等,进行土壤表层药剂喷雾,杀灭地表的病原菌。第二步,结合浇水,适当冲施药剂,预防根腐病和部分茎部病害的同时,完成对土壤的二次杀菌。
  合理施肥雨水进棚后,因为土壤郁闭和湿度大等不利影响,对根系的影响较大,严重影响根系的吸收,此期的管理重点应该以养护根系为主,尽可能选择一些有利于根系恢复和改善土壤通透性的肥料施用,如生物菌剂、海藻类、氨基酸类或碳肥等,施肥的重点是帮助植株恢复长势。对于进水较轻,继续大量元素供应的植株,应适量、轻度配合冲施大量元素水溶肥;此外,中微量元素的合理应用,有利于植株对养分的全面吸收和提升作物抗病性能。
  综合养护综合做好土壤排水降湿、及时杀菌以及合理施肥的管理基础上,做好后续的土壤养护工作,是保证后期蔬菜良好恢复和正常生长的关键。尤其是,一些棚室经历过雨水浸泡,土壤结构破坏加大,“轻用肥,重养护”是下一步土壤养护和恢复的重点。管理中的棚室,可以通过合理用肥和浇水,以及铺设稻壳或秸秆的方式,做好土壤养护的缓冲处理。对于尚未定植的棚室,可以适当增加稻壳粪肥或有机肥用量,适量施用微生物菌剂,改善土壤通透性和根际微生态环境,帮助土壤恢复。
  学会六招 促花促果促高产
  加强植株长势调整受不良天气影响,西红柿植株良莠不齐,徒长和衰弱现象均有之。应该根据植株长势,适时做好调整。对于缓苗好、长势健壮的植株,注意加大通风量,拉大昼夜温差,及时整枝抹杈。长势过旺时,可以选择矮壮素等进行化控。受前期高温影响,尤其是遮阴降温差的棚室,弱苗多,要加强根系养护,上部适量喷洒叶面肥,促进枝叶旺盛。
  适时点花根据品种不同和植株长势强弱,要确定合理的留果数量,及时点花。点花过程中,可以遵循“取强去弱”的方法,预先点取萼片大、花色鲜艳、发育良好的花,畸形花可以去除或不留果。植株长势旺盛时,适量增加留果数量,尤其是第一穗花的留果数,可以作为调控植株生长的手段。
  适时喷施硼肥受高温影响的植株因其花芽分化不良,容易出现畸形花多甚至落花等现象,建议在加强管理的同时,在花前适时喷洒含有硼元素的叶面肥,促进花芽分化。
  温度管理西红柿花期的温度管理,仍要注意预防中午高温,晴好天气时适当加盖遮阳网,避免强光直射。此外,适当加强通风,保持合理的昼夜温差,有利于上部花穗的花芽分化和下部果实生长。
  病虫害防治西红柿开花后,营养运输的方向发生改变,部分病菌会乘虚而入,要加强细菌性叶斑病、灰叶斑病以及粉虱、夜蛾类害虫预防。花期病害如细菌性叶斑病,可同时侵染叶片、茎秆、花萼等部位,对植株影响较大,要加强预防,可以喷洒中生菌素或噻枯唑或喹啉铜等药剂进行预防。部分品种药注意预防灰叶斑病,灰叶斑病能够危害叶片、茎秆等多个部位,危害严重时,造成叶片枯死,影响植株的光合作用。可以喷洒百菌清、甲基托布津或多抗霉素等药剂进行预防。对于病毒病的预防仍要紧抓不懈,植株的营养运输方向在此期间发生变化,应该给予植株合理的负担分配,避免前期留果过多,造成“超载”,导致植株长势下降而诱发病害发生。虫害的防治,以粉虱、小菜蛾、甜菜夜蛾等害虫为主。粉虱的杀灭是预防病毒病的重要前提条件,可以通过加盖防虫网、悬挂粘虫板、喷洒药剂等多项措施进行杀灭。近期气温有所下降,小菜蛾、甜菜夜蛾、棉铃虫等要注意严防,此类害虫取食量大,尤其是“蛀果”危害时,造成果实丧失商品性。田间发现虫体时,要及时喷洒药剂,如甲维盐、氟虫苯甲酰胺等药剂。
  肥水管理浇水施肥可以参照植株长势和天气变化进行。第一穗果坐住后,可以根据植株长势适当选择水溶肥随水冲施,保障植株前期的养分需求。根系发育差、长势弱的植株,可以随水冲施生根肥料,促进根系进一步发育。
  连续强降雨后 恢复生产不盲目
  连续强降雨,为蔬菜生产造成许多影响,在此为种植户提醒几点注意事项:
  1、棚室出现问题的,及时修理棚室,高温棚后墙可采用薄铁片、细钢丝网、薄板等可以支撑的物件立于后墙立柱处,然后重新将后墙填土加固。
  2、第一时间将棚室内的积水排除并采取涝浇园的方式即用井水浇一遍,这个操作模式不管是定植上蔬菜还是空白地块都应采取的措施,降雨后雨水大都呈酸性,利用涝浇园的方式将雨水带来的不良物质冲走或下渗到土壤,减轻对作物的危害。
  3、对于水淹的棚室,建议测一下土壤ph值,对于呈酸性的土壤可亩用40--80斤石灰调节土壤。
  4、对于已经定植并进水的棚室,应在排水、处理后及时补种或换茬。部分地区因时间关系建议重新定植西葫芦、甘蓝、白菜等蔬菜减少经济损失。
  5、已经定植并进水的蔬菜,可用枯草芽孢杆菌冲施一次或者直接用枯草芽孢杆菌叶面喷施(包括地面)来减轻病害的发生,也可用广谱性杀菌剂处理。
  6、对于露天蔬菜来说,这次的降水影响较大,过水后涝浇园并立即叶面喷施,随水冲施杀菌剂防止病害大面积爆发。植株出现死棵后,应立即切断与其他好植株的通水,可以将死亡的植株铲除并用杀菌药剂将土壤消毒,同时将本处的水沟隔断,以后浇水从其他沟内走水。


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