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100年後農業與因應氣候變遷作物

2020/03/20 @國際

摘要

日本京都立命館大學的研究學者為了因應氣候變遷與未來全球人口爆炸可能造成的糧食不足危機,進行相關議題研究,說明氣候變遷的發生或許是重演1萬多年前冰河時期的情況;而發現生成果膠的酵素,也為植物生理控制的研究門檻邁進一步。

示意圖

100年後農業與因應氣候變遷作物

  根據聯合國統計,2050年全球人口將成長將近至100億。為了避免糧食不足之危機,必須提高農業生產率。
  日本京都立命館大學古氣候學家中川毅(Takeshi Nakagawa)教授表示:「農業在面對氣候變遷時,有著脆弱的致命傷」,的確,氣候變化過於劇烈的話,將難以穩定的收成。 
  但是,為何古氣候學家會發出這樣的警告呢?其論述是來在自古氣候學的知識及見解中,已經有了「地球氣候變化史」背景。

為何農業能遍及世界各地?
  日本福井縣若狹町有一處水月湖,自數十萬年前的遠古時代以來,其湖內有被稱為「年紋〔1〕」的沉積物,每年一次薄薄地堆積著。 由於水月湖周圍不容易受干擾的環境,年紋才能維持原狀一直殘留到現在。 

中川教授分析年紋中所含植物的化石,揭開了存在於地球的氣候史
  中川教授論述:根據考古學的知識及見解,大約1萬1千年前農業耕作在世界上開始普及,這也與地球的冰河時期結束後,氣候開始變暖的時間一致。
  在異常氣候或有自然災害的年份,沉積物的顏色差異,可直接由目視判斷,因此,農業能夠普及的重要因素,被簡單地認為就是因為「平均氣溫上升」所致。 然而,此種推論並不能解釋,冰河時期溫暖的低緯度地區,農業耕作為何尚未普及。
  中川教授逐一調查年紋之後,發現除了溫度差異之外,冰河期與溫暖期之間也存在的巨大差異——氣候穩定性。由於冰河時期氣候變動頻繁,其變動幅度也很大,因此明言,這就是「劇烈震盪」的氣候。
  中川教授表示:「兩者相較,自溫暖期開始,期間氣候一直很穩定,因此推論,氣候的穩定,很可能是農業能夠普及的決定性因素」。
  尤其是冰河時期的最後幾年,水月湖的平均溫度跳升了2-3度。 實際上,該數字和聯合國跨政府氣候變化專門委員會(IPCC)所預測的,在未來100年的上升幅度很接近(最低2°C,最高4°C前後)。也就意謂著,未來100年內氣溫上升的幅度,可能會再發生和大約12,000年前所自然發生的「暖化」相同。
  透過年紋分析,過往暖化可能發生在短暫的一年至三年間。而IPCC預測未來全球溫度將上升2至4℃,但這不一定是氣候變遷最壞的情況。
  中川教授也解釋:「IPCC所預測的背後意涵,與12,000年前完全不同的氣候狀況,也可能在100年後再次面對。」
  我們不能完全否定,未來的氣候是否會如冰河期那樣劇烈變化的可能性。倘若真如上述,在溫暖而穩定的氣候中發展起來的農業,能夠適應氣候變化到何種程度呢?【延伸閱讀】漁民尋求新武器來對抗因為氣候變遷而大量出現的寄生蟲

發現地球上最複雜結構的酵素、解開植物生長的奧秘
  農業因應氣候變化的方式之一即為縮短生長期程,因此,對於植物生長機制(構造及原理)的理解是不可或缺的。植物並沒有像動物一樣的骨骼,為何植物卻能在抗重力的情況下往高處生長呢?
  日本立命館大學生命科學院石水毅(Takeshi Ishimizu)教授:「那是因為植物有細胞壁。」
  根據石水毅教授的說法,在細胞壁上具有可以牢固地維持植物結構的骨骼功能,和具有可以將細胞彼此附著的黏膠(paste)功能,這兩者都是植物生長所不可或缺的。
  黏膠功能的基底,是佔細胞壁30%的所謂果膠(pectin)成分,因為該成分可用於增加食品的黏稠度,在市售的果醬和速成甜品上也被使用。在我們的生活上普遍應用,與植物生長同樣不可或缺的果膠,其生成過程,到近年仍完全不知。石水教授道:「果膠可說是在地球上最複雜的構造。」
  石水教授認為:因為很難找到生成果膠的酵素。所以,如果能解開果膠的生成過程,對於農作物的生長促進技術也能有所貢獻。
  石水教授的研究團隊花了六年時間開發可發現生成果膠酵素的方法;其次,也研究了果膠的合成量與植物生長速度之間的關聯性,得知生成果膠的酵素越多,植物的生長越快。
  石水教授道:「倘若將來能控制果膠的合成,也就有控制植物生長速度的可能性。」
  石水教授的下一個任務,是探究果膠生成酵素的編碼遺傳基因。他在阿拉伯芥〔2〕中研究了超過27,000個基因,並在五年內成功鑑定出RRT1基因。

研究自開始至今已以花費了11年的歲月,是世界上第一個發現果膠生成酵素的遺傳基因
  石水教授提及:「依據果膠生成酵素的遺傳基因RRT1的發現,就能解釋為何果膠具有很精妙而類似植物的特性;將此遺傳基因RRT1的存在與否及存在數量作為指標,來選擇快速成長的植物,也希望這些發現可成為鏈結未來農業。」
  農業支撐人類的生存。然而,在全球暖化和人口的快速增長的背景下,人們正期望著農業創新。作為來自日本的研究,如何為未來的農業有所貢獻,並改變農地田野的景觀。
  對於100年後的農業,我們都有著高度期盼。

註1:所謂「年紋」,是可以用來推測年代歷史的條紋狀痕跡,其日文原文稱為「年縞」,而樹木上的「年輪」則是以類似圓形輪狀呈現。
註2:阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana),又名擬南芥、阿拉伯草,是第一個基因組被完整測序的植物。它是理解許多植物性狀的一種流行的分子生物學工具。

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