出品：科普中國
監(jiān)制：中國作物學會 光明網科普事業(yè)部
統(tǒng)籌：程維紅 徐琴
策劃：宋雅娟 趙清建
作者：張文娟 周子斌（華南農業(yè)大學碩士研究生）
吳藹民（華南農業(yè)大學教授 博士生導師）
我國作為傳統(tǒng)農業(yè)大國，自古以來有種植水稻的優(yōu)良傳統(tǒng)。唐代詩人李紳“春種一粒粟，秋收萬顆子”描述了農民辛勤勞作后的豐收景象。宋代詞人辛棄疾“稻花香里說豐年，聽取蛙聲一片”美麗田間躍然于紙上。
水稻作為重要的糧食作物之一，每年產生將近3億噸的秸稈，由于秸稈數(shù)量多，體積大，難以在短時間內及時處理，影響后茬作物播種，成為生產上的棘手問題。
科學技術的快速發(fā)展，雜交水稻能讓大家吃得飽，基因編輯技術則能提高秸稈的利用效率，能讓水稻用得更好。
華南農業(yè)大學水稻試驗田
云水稻田空，造福億萬眾
水稻（學名：Oryza sativa）是草本稻屬的一種，為一年生禾本科植物，單子葉，性喜溫濕，成熟時約有1米高。水稻是稻屬中作為糧食的最主要最悠久的一種，又稱為亞洲型栽培稻。
我國栽種水稻已有四千七百多年的歷史，是世界上栽稻最古老的國家。我國的水稻分布區(qū)域可劃分為6個稻作區(qū)域和16個亞區(qū)，稻區(qū)分布遼闊，南至海南島，北至黑龍江省黑河地區(qū)，東至臺灣省，西達新疆維吾爾自治區(qū)；低至海平面以下的東南沿海潮田，高達海拔2600米以上的云貴高原，均有水稻種植。水稻種植面積的90%以上分布在秦嶺、 淮河以南地區(qū)，成都平原、長江中下游平原、珠江流域的河谷平原和三角洲地帶是我國水稻主產區(qū)。
水稻所結果實為大米，可作為糧食食用，是世界上三分之一人類的主食，還可以釀酒、制糖作為工業(yè)原料，還可以釀酒、制糖作工業(yè)原料，其稻殼可以作為牲畜飼料，其稻草可以做成粗麻繩、草席、草紙等。
我國的梯田美景（圖片源自網絡）
水稻秸稈用處大，就地焚燒危害重
到上個世紀九十年代以前，利用爐灶，水稻秸稈被收集作為稻區(qū)農村蒸煮、做飯加熱等的主要資源；隨著農村生活的改善、液化氣的推廣使用，爐灶基本退出了歷史舞臺，因而水稻秸稈使用面臨新的問題。
水稻秸稈可以用來做草食動物（如牛、羊等）的飼料、生活燃料、農作物的肥料、食用菌基料、草簾、鴨場墊料、沼氣發(fā)酵原料等。農作物進行光合作用后的產物有一半以上存在于秸稈中，秸稈富含氮、磷、鉀、鈣、鎂和有機質等，是一種有較多用途的可再生的生物資源，同時也是一種粗飼料。但這只能解決一小部分問題，大量的秸稈短時間集中收集，有待于進一步合理利用。
秸稈中的纖維素，半纖維素和木質素等細胞壁成分堅固地纏繞在一起，導致水稻秸稈降解困難。秸稈造紙會由于半纖維素產生大量難以降解的戊糖等，導致造紙廢水處理困難，加上秸稈分散，運輸成本高，因而秸稈造紙規(guī)模不大。目前秸稈常用的降解方法可以分為直接還田，物理降解，化學降解以及生物降解，其中通過秸稈與微生物作用的生物降解法是目前處理秸稈最實際且有效的方法。
在我國農村，農民更多的是采用直接焚燒處理大量秸稈的辦法。水稻秸稈焚燒危害重重，焚燒過程中產生大量二氧化硫、二氧化氮等危害性氣體，造成嚴重的大氣污染，危害人類健康；焚燒時會燒死地表的微生物，導致腐殖質、有機質被礦化，破壞土壤結構和生態(tài)平衡；秸稈焚燒易引起火災，形成的煙霧使空氣能見度下降，影響道路交通和航空安全。
水稻秸稈回收利用（圖片源自網絡）
水稻秸稈焚燒（圖片源自網絡）
秸稈回收有難度，基因編輯顯身手
中國是農業(yè)大國，秸稈資源的開發(fā)利用，既涉及到農業(yè)生產系統(tǒng)中的物質轉化和能量循環(huán)，成為循環(huán)農業(yè)和低碳經濟的重要實現(xiàn)途徑，是農業(yè)農村社會經濟可持續(xù)發(fā)展的必然要求，也是全球環(huán)境保護發(fā)展的必然趨勢。
基因編輯技術是近年來發(fā)展起來的一種能夠定向改造生物基因組DNA的工具，其中應用最為廣泛的是CRISPR/Cas9系統(tǒng)，它對DNA中堿基序列的改造，比如插入、刪除替換堿基或一段堿基序列，使基因編碼的氨基酸發(fā)生變化，從而實現(xiàn)相關基因功能的喪失或改變。
面對這些常規(guī)方法難以解決的問題，華南農業(yè)大學吳藹民教授團隊采用CRISPR/CAS9基因編輯技術，對水稻UXE（UDP-木糖差向異構酶）和XAT（木聚糖阿拉伯糖基轉移酶）部分基因進行敲除，獲得了三個部分敲除UXE和XAT基因的雙突變體，結果發(fā)現(xiàn)突變體中木聚糖中側鏈阿拉伯糖含量大大降低，纖維素結晶度降低，使得細胞壁結構松動，增加了纖維素酶的可及性，從而使得細胞壁都更易被處理破壞。這項研究通過基因改造降低了秸稈處理的難度，為秸稈回收處理增加了更多的可能性。
敲除UXE和XAT基因后形成的雙突變體（Chen C et al. ,2021,Plant Biotechnology J）
基因編輯技術的應用已是大勢所趨，隨著研究的深入和發(fā)展，其在水稻秸稈利用方面必定有著廣闊的應用前景。
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