2018年，全世界的人口達到了76億。照這一趨勢，在本世紀中期，全球人口總數將超過100億。如果這一趨勢成為現實，那麼，一個很現實的問題就擺在了面前：誰來填飽我們的肚子？飢餓距離城市居民來說，是一個非常陌生的詞彙。但在科學家眼中，飢餓卻可以預見。據估計，為了養活這100億人口，到本世紀中葉，全世界的農業水準要比2005年提高60%～120%。
100億人口的肚子，怎麼才能填飽？
一個字：難。
但奇蹟並非難以達成。在1960年到2005年的這45年裡，全球作物產量從每公頃1.84噸，增加到了3.96噸，增幅達135%。背後的原因，在於殺蟲劑和化學肥料的使用，高產量品種的培育，以及灌溉等技術的提升。
未來的農業，同樣需要來自這些領域的突破。今天，發表在頂尖學術期刊《科學》上的一項研究，就帶來了一個好消息。透過對植物進行生化通路的改造，生物學家們找到了一種帶來超級農作物的方法。利用該方法，一部分實驗植物增重超過了40%！
我們知道，植物是一種神奇的生物。從一顆種子，長成一棵參天大樹，它的重量不知增加了幾千幾萬倍。這些質量不是來自土壤，而是來自空氣中的二氧化碳。
在植物中，存在一種叫做RuBisCO的酶。在光合作用時，這種酶能夠把空氣中的二氧化碳變成糖分，成為植物體內的有機組成部分。然而，這種酶卻並非完美——它不但能辨識二氧化碳，還能結合氧氣。而它與氧氣的結合，則會生成一種有毒的代謝產物。
為了不讓自己中毒，植物不得不採用一種叫做光呼吸（photorespiration）的生化通路，進行「排毒」。但這畢竟需要消耗能量，而且消耗得還不少！此外，光合作用辛辛苦苦積累下來的生物質（biomass），也會損耗25%。據估計，對於大部分農作物而言，光呼吸所消耗的能量，對作物產量造成了20%～50%的損耗。
「僅僅在美國中西部，每年因為光呼吸而損失的卡路里，就能餵飽2億人口。」本研究的負責人Donald Ort教授說道。
如果能杜絕這種浪費，不就有望增加植物的產量了嗎？這正是研究人員們所著力的方向。我們知道，光呼吸是一條複雜的生化通路，涉及9個酶催化的步驟，反應還會發生在葉綠體、過氧化物酶體、以及線粒體等多個不同的部位。這種複雜的情況，要是能得到精簡就好了。
研究人員們利用合成生物學的方法，設計了3種不同的「替代」通路。第一種替代通路里有5種酶，第二種替代通路里有3種酶，第三種替代通路只需要2種酶。此外，他們還使用了RNAi的方法，抑制植物體內的原始通路。
溫室篩選的結果發現，3種替代通路有著截然不同的表現。第一種通路下，植物的生物質增加了13%，第二種通路則沒有帶來什麼明顯變化。有趣的是，第三種通路在沒有使用RNAi的情況下，生物質就增長了18%。如果使用RNAi，這一增長還能上升到24%！
溫室的環境得到了嚴格的控制，適合植物生長。在野外環境下，這些植物是否還能保持如此明顯的增長？
事實上，在田野間生長的植物，比溫室里長得還要好！研究人員們統計了兩個生長季的生長數據，發現相比野生型，經過基因改造的植物（第三種通路），其生物質提高了25%有餘。輔以RNAi，增長更是超過40%。
研究人員們把這種替代通路比作是巴拿馬運河。這條運河的存在，大大提高了貿易的效率。而他們所設計的替代通路，則在植物體內提高了代謝效率，有著異曲同工之妙。
目前，這項研究主要在菸草中完成。研究人員們樂觀地表示，由於光呼吸通路在大多數植物中都存在，這一策略有望用於多種作物的改造，最終提高作物的產量。對於大豆、豇豆、水稻、馬鈴薯、番茄、以及茄子的改造，正在進行之中。
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