克谨克致二十年,渐推5-A入胜境

2022-11-07 16:56 六郎 中国科技日报
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——专访南京农业大学教授、中国5-A农业研究先行者汪良驹博士

南京农业大学园艺学院教授,理学博士,果树学博士生导师,江苏省植物生理学会植物生长发育与生长物质专业委员会主任

所有学过生物学的人们都知道,我们地球上的绿色植物,包括藻类和光合细菌,都含有叶绿素,都能利用太阳光能,同时吸收大气CO?,并转化为生命赖于生存的碳水化合物及其它物质。动物呼吸,依赖于血红素供氧。这里的叶绿素和血红素均属于卟啉化合物,都来自于一个共同前体——5-氨基乙酰丙酸(5-aminolevulinic acid, 简称为5-ALA或5-A)。2000年以前,绝大多数学者仅仅知道5-A是卟啉化合物生物合成的关键前体。新世纪后,我国学者汪良驹博士开始研究5-A在农业生产上应用。他带领的团队先后十多次获得政府专项资金,发表学术论文近百篇,国家授权专利20余项,把5-A研发成稻麦粮油减肥增产增收的助手,苹果番茄等果蔬产品抗逆提质的关键。最近,为了响应国家碳达峰碳中和战略,汪教授研究的5-A又一次成为“双碳方略”的明星,受到多方关注。为此,笔者专门采访汪教授,聆听他细述数十年酸甜苦辣,逐渐把这种简单的天然δ-氨基酸打造成绿色农业高效生产乃至生态环境保护的有力帮手。

生于偏僻山村,立志终生为农

汪教授于1964年9月出生于安徽省黟县。那是皖浙赣三省交界的偏僻山区,全县人口不足9万。虽然现在因西递、宏村两个世界文化遗产而蜚声海内外,但当年交通闭塞,经济落后,家庭主要生活来源于母亲在生产队的日夜劳作,他幼小心中便产生知农、爱农、敬农和为农的情愫。1981年,他考入国家农业部重点大学南京农学院,就读于园艺系果树专业。当时的辅导员老师为了了解学生思想动态,询问大家为何来读农。他几乎是毫不犹豫地说,“我们家世代务农,来南农读书,是要更好地为农业服务,为农民服务”。一语成真,工作三十多年,他始终坚持在农业科教战线,专心致志为农业服务,为农民服务。

专爱农业科技,关注学以致用

农业科学既有复杂理论,更讲实际应用。就读期间,年轻时的汪教授更喜爱那些具有实际应用前景的农业技术。其大学毕业论文研究的是梨树整形修剪,希望能够用于果园生产。硕博期间研究的是脱落酸ABA(一种天然植物激素)提高无花果耐盐性效应,希望有助于中国盐碱地资源开发利用。2000年,受学校委派,他赴日本千叶大学访问学习。其间,读到一篇5-A提高棉花耐盐性论文,由此触发他将整个方向都调整到这种天然δ-氨基酸的应用与理论研究上来。2002年初回国,他花费1万元日元(相当于当时国内一个月工资)带回1克纯品,从此开启5-A在中国农业生产上应用研究之旅。

初试越冬逆境,喜闻5-A芳香

回国初,经费少,而5-A成本高,他只能从甜瓜、小白菜等草本果蔬入手。结果发现,5-A除了提高植物耐盐性外,还能提高植物耐低温弱光能力。实际上,当时的低温弱光,正是越冬作物常遇逆境。漫天雾霾,连月不见阳光;天寒地冻,大棚果蔬受抑,产品品质不良。元旦春节,则是农产品消费旺季,需求量大,价格高,高效农业一半价值体现于此。这种社会强烈需求与生产严重不足间的矛盾促使汪教授决定研究5-A在越冬作物上应用,试图通过促进低温弱光胁迫下植物叶绿素合成,增加光合积累以提高大棚果蔬产量和品质。第一个田间试验在南京军区后勤部农场进行。在萝卜种植后不久,他将5-A喷施于萝卜叶片。3月后采收,发现直根又粗又长,增产48%。接着,又在胡萝卜、生姜、大蒜、花生、山芋、土豆等作物上,发现5-A的增产幅度可达30-70%,说明5-A能够促进植物根系生长,并促进叶片积累养分向根系转移。在越冬茶叶上喷施5-A,茶头增加12%,茶叶可浸提物、可溶性糖、氨基酸、茶多酚、咖啡碱等含量分别提高8%、22%、24%、6%和54%。茶农每亩增收2800元。在大棚草莓上,5-A不仅促进根系生长,而且植株耐寒、耐旱、耐高温和盐碱,抵抗枯萎病和灰霉病能力增强,农药用量减少,产量提高,浆果香甜更安全。

稻麦喷施5-A,减肥增产提质

农药和肥料是农业增产增收两大法宝,但不当或过量使用将引起严重生态和食品安全问题。对此,国家提出农业“两减一增”计划,要求在减少农药化肥使用量的同时增加农业生产效益。2016年春,汪教授带领团队成员长期驻点黑龙江农垦农场,亲自选定水稻田,落实5-A减肥增效试验。结果发现,在速效氮肥减少50%同时叶面喷施5-A,不仅未减产,反而比100%施氮肥的增产10%。大米可溶性糖和直链淀粉含量显著增加,米饭香甜可口。该类研究经多年重复试验,已经相当成熟。2020年9月,在牡丹江858农场召开现场会,由专家们当场收割当场测产,5-A产品可以使水稻平均增产57.6公斤/亩,增幅8%。在安徽省明光市古沛镇,喷施5-A的富硒水稻亩产增加两袋(约140斤)。

5-A之所以能够减肥增产,一方面是因为它打开叶片气孔,增加蒸腾拉力,另一方面是因为它促进植物根系生长。这相当于打通植物“任督二脉”,促进植物对土壤氮素的吸收、运输、转化和利用。这一理论早在2012年就被汪教授团队提出。多年多点的事实证明,它经得住验证,可以指导农业生产。目前5-A已在黑龙江、江苏、安徽等农垦稻麦粮油上累积推广数百万亩。5-A不仅可以处理种子,也可以叶面喷施。不仅可以用弥雾机喷施,还可以用无人机或大型飞机航喷。在江苏省东台市黄海边濒临大海的稻麦田中无人机施用5-A,普通水稻品种亩产可达千斤,普通小麦亩产可达700斤。这是5-A在滨海盐碱土上提高植物耐盐性的综合体现。

瓜果使用5-A,好看好吃好贮放

一般的科学概念认为,顺境促生长,逆境增品质,而5-A技术不仅提高作物产量,而且改善产品品质。这在瓜果作物上表现得十分突出。最早想到利用5-A来改善果实品质的缘由是汪教授发现5-A能够提高植物耐弱光能力。在江苏,虽然能种植苹果,而且水分足,口感不错,但因为雨多日寡,着色往往不好。汪教授于2003年秋开始在沛县禾达果园研究5-A促进果实花青苷积累试验。结果证实其最初设想,喷施5-A的苹果不仅着色好,糖度高,而且更耐贮藏运输。这令人欣喜不已。此后多年,他奔波于江苏、河南、山东、陕西、山西等苹果产地,持续开展各种室内室外试验,积累海量资料,充分证明,5-A天然无毒无农残,可以改善果实外观、内在和贮藏品质。2012年,农业部为5-A促进苹果着色颁发新农药登记证。这是中国学者首次自主成功研发的新型天然植调剂,其成果被载入《中国农业年鉴2013》这一史册性文献。央视《华人频道》《中国发明与专利》《中华儿女》和《中国科技市场》等媒体也相继报道。国家自然科学基金先后6次立项,支持汪教授团队开展有关5-A提高植物抗逆性以及果实品质的基础理论研究;南京市321领军型创业人才计划资助其成立“南京禾稼春生物科技有限公司”,研发生产5-A技术产品;江苏省农业科技自主创新资金设立重大项目,支持5-A在果树防寒疏花保果及提质上应用研究。这些政府资金为5-A农业推广应用起到巨大推动作用。

目前,5-A提高果实品质效应已广泛应用于苹果、梨、桃、葡萄、草莓、枣、柑桔、荔枝、芒果、人参果、番茄、黄瓜、西瓜、甜瓜等瓜果生产。有几组创记录的数据值得永久记忆。一是2019年,5-A运用于江苏南通早熟‘翠冠’梨,8月3日采收,果实糖度达16.0度,而且在4℃常温冰箱中可以存放至11月份。二是2020年,5-A运用于新疆‘冬枣’,9月下旬采收,糖度达40.8度。三是2022年,5-A运用于南京‘中油4号’油桃,6月12日采收,糖度达27.6度。由于糖度是衡量果实品质的首要指标,决定着消费者满意度、市场价格和产业水平,而提高果实糖度是5-A的重要性能,因而它在提高瓜果品质上有着重要应用前景。

汪良驹教授(左六)主持的江苏省农业科技自主创新重大项目中期检查现场会。从左到右分别为:南京禾稼春生物科技有限公司总经理孙健教授、南京农业大学高志红教授、南京农业大学乔玉山教授、江苏省农业农村厅发展规划处聂赟研究员、南京豆蔻农庄总经理赵辉、南京农业大学汪良驹教授、江苏省农业农村厅种植业处处长杜永林研究员、江苏省农业科学院科技处长余向阳研究员、江苏省农业科技自主创新资金管理办公室主任罗海荣研究员、南京农业大学科学研究院副院长陶书田教授。

巧施5-A调气孔,力助国家言双碳

随着工业化进程,大气CO?浓度迅速上升,已经成为全球性生态问题。中国政府为推动人类命运共同体构建向全世界庄严承诺,到2030年,中国CO2排放量达到峰值,2060年实现零排放,即“碳达峰碳中和”或“双碳”战略。消除大气CO?方法很多,植物是其中最重要之一。在光照下,植物气孔开放,大气CO?进入叶肉细胞,被RuBisco等光合酶类转化为有机化合物,形成碳库,从而降低大气CO?浓度。就果树而言,苹果、梨、桃等落叶果树平均每天光合固碳能力约为20 g m-²。一般果园叶面积指数为4,其中有效叶面积指数为2,若每年光合180天,则一亩园一年光合固碳量为4.80吨。中国果树面积1.84亿亩,每年可固碳8.83亿吨,折合成碳汇为2.41亿吨。类似地,中国农作物种植面积22.6亿亩,每年碳汇量达29.86亿吨。如此巨大的固碳能力不仅为人类社会发展提供充足食物,也为国家双碳战略做出巨大贡献。不过,这是农业碳汇的理论数据。实际情况复杂得多,因为植物经常遭遇高温、低温、强光、弱光、干旱、水涝、盐渍、缺素、重金属污染、空气污染以及病原菌侵染等各种生物和非生物逆境影响。即使是最适宜的一天,也会在中午时分因为高温、强光、低湿引起“光合午休”。因而,农业碳汇量比理论值低得多。缓解逆境导致的光合下降是提高农业碳汇的重要途径。

逆境胁迫往往引起植物激素ABA积累,后者诱导气孔关闭,阻断CO?进入叶肉细胞。早在2003年,汪教授就发现5-A能够促进逆境下甜瓜叶片气孔开放。深入研究表明,5-A可逆转黑暗、ABA、干旱、盐渍导致的气孔关闭,而且这一过程经由PP2A蛋白质磷酸化酶介导,而其催化亚基PP2AC受到PTPA和DGK3-like等基因调控。因而,外源施用5-A或者人工改造PP2AC、PTPA或DGK3-like基因,调控ABA信号关键因子SnRK2.6磷酸化,可以人为调节气孔开度和光合速率,但不同基因具有不同的功能。实验证明,过表达PTPA可以促进气孔开放,但降低植株耐旱性;过表达SnRK2.6虽然提高抗旱性,但抑制气孔开放,不利于光合固碳。只有过表达PP2AC才能既促进气孔开放,又提高植物耐旱性。因而,PP2AC是调控叶片气孔开放并提高逆境下叶片光合的关键基因。鉴于5-A处于系列调控上游,人们可以利用外源5-A打开气孔通道,促进叶片光合固碳,在提高作物产量和品质同时,增加农业碳汇。我们也可以“双碳”为育种目标,合理利用PP2AC基因,培育出既抗逆又有利于大气CO?进入且光合固碳能力显著增强的植物新品种,从根本上为碳达峰碳中和战略做出农业新贡献。这是增加农业碳汇的新途径。这一计划已经得到江苏省双碳专项基金前沿基础项目资助。

廿年磨剑板凳冷,苦心孤诣求创新

这次采访中,我们认识到,汪教授是南京农业大学一位德高望重的资深教授,一位治学严谨、甘受寂寞的学者,一位思路开阔、追求完美的创业者。他是江苏省植物生理学会植物生长发育与生长物质专业委员会主任,从事农业科教35年,为我国农业发展培养了大批优秀人才,为解决农民生产实际问题做出过重要贡献。他关注国家需求,潜心科学研究,努力把科研成果转化至农业生产实践。他要求团队成员克谨克致,求真求实,不弄虚作假,不走偏门捷径,苦心孤诣,探索真理,矢志拓展5-A功能,苦心揭示5-A机理,为现代绿色高效农业发展提供更多更好技术与产品。1999年,他因研究植物耐盐性而荣获教育部科技进步二等奖。2012年,经中科高技术企业发展评估中心组织的专家鉴定,认为“5-氨基乙酰丙酸提高苹果等果实品质应用技术”达到国际先进水平。回顾最近这十年,汪教授的5-A研究无论理论还是实践都产生新的质的飞跃。正值中国共产党第二十次全国代表大会胜利闭幕并开启中国特色现代化建设和中华民族伟大复兴的新征程之际,我们相信,汪教授研究的5-A技术将为高质量的农业现代化发展,为美丽富裕的新农村建设和千千万万农民增产增收做出自己新的贡献。