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天然橡胶生物安全与多样化

2020-7-18 09:28| 发布者: admin_1| 查看: 316| 评论: 0

对于任何现代化国家来说,天然橡胶都是一种极端重要的农业资源。但是令人称奇的是,许多人都对天然橡胶缺乏足够的重视,他们以为所有的橡胶全部都是合成胶。然而实际情况是,天然橡胶占全部橡胶市场份额的45%。因为合成橡胶产自石油资源,在很多领域无法替代天然橡胶使用。例如,如果轮胎的性能越好,那么其所使用的天然橡胶含量就越高。商用飞机轮胎则100%完全使用天然橡胶制造:当然,轮胎里面少不了其他成分,如增强填料炭黑、硫化化学品、钢材料、纤维材料等。经济各部门总计约有五万种不同类型的产品使用天然橡胶制造,包括手套、轴衬、隔离器件、密封件、管道、粘合剂、气球制品和避孕套(印度橡胶董事会2013年公布资料显示)。美国等其他温带气候国家所需的所有天然橡胶全部依赖进口。2018年,美国进口了价值15亿美元的天然橡胶和价值130亿美元的轮胎。这些1396万公吨的天然橡胶全部通过人工收集,割胶工人手动用小桶采取了约合420亿公升的胶乳,而割胶工人的薪资水平是十分低廉的。
与其他农业作物不同,天然橡胶缺乏支持,而生物多样性又是行业发展的一个重要目标。橡胶树属于芽接无性繁殖,仅限于热带地区种植。繁殖个体之间的差异性很小,遗传单一性使橡胶树减产像阴云一样笼罩着全球橡胶供给链条。现今的南美洲已经基本不再生产天然胶,因为当地的南美叶疫病菌会使橡胶树感染叶疫病(SALB),而叶疫病是致命的。如果东南亚的橡胶树种植园感染了此种真菌疾病,则整个天然橡胶行业都将被毁,橡胶供应很快就会中断。而且橡胶树白根病、黄条病等严重的致病菌已经使当地饱受摧残。
天然橡胶和胶乳的需求持续增加(每年增长5.2%),劳动力成本升高,森林采伐控制政策限制了橡胶树种植园的扩张,气候变化导致适宜种植橡胶树的土地面积不断缩小。这意味着,即使橡胶树种植园能够无限期坚挺,橡胶树也不能完全满足未来二十年预计不断增长的天然橡胶需求。为了解决这一难题,同时最小化生态环境破坏,我们需要实现天然橡胶供应链的生物多样化,也就是说找到其他适宜温带地区种植的产胶作物。
有两个品种从大约2500种产胶植物中脱颖而出,被作为温带地区产胶作物进行开发,它们是银胶菊(灰白银胶菊)和蒲公英橡胶草。银胶菊产自北美洲奇瓦瓦沙漠,蒲公英橡胶草则来自哈萨克斯坦和乌兹别克斯坦。因此,蒲公英橡胶草适宜在冬季寒冷的地区种植(如美国北部、加拿大和北欧),而银胶菊适宜在冬季凉爽的非严寒半干旱地区种植(如地中海地区、美国西南部、墨西哥、南非和澳大利亚)。
这两种替换胶源作物成为种植作物之前还必须经过驯化,而且要从橡胶草根部和银胶菊表皮薄壁组织细胞中提取橡胶也需要开发一套合适的、成本效益好的可持续橡胶提取工艺流程。银胶菊种植体系已经基本建立,但是蒲公英橡胶草的商业化种植还有很长的路要走,因为蒲公英橡胶草发芽率低,很容易受到野草侵害。要成为真正的驯化作物,蒲公英和银胶菊都应该在机械化生产的框架内提升橡胶含量、植株生长活力及除草剂耐受性。蒲公英橡胶草也可采用室内水培法或气栽法高密度种植,获得较高根部生物量。
向可持续性橡胶生产转移
幸运的是最新的传统分子育种技术和基因编辑技术可以加速植株驯化过程。通过技术手段可以提升植株的除草剂耐受性和光合能力,提高植株活性和橡胶含量。探索基因、酶或新陈代谢水平对橡胶生物合成的影响开辟了基因改良之路,为扩大橡胶产量奠定了基础,而分子标记和基因图谱方面的研究能够大幅度加快传统的培育过程。橡胶生物合成领域已经取得长足进展,尤其是在替换胶源作物和三叶橡胶树的基因图谱公之于世之后。研究表明,一种橡胶粒子膜结合蛋白复合物在橡胶聚合中起到关键作用,但是目前此种复合物的三级结构尚未明确。近年来必要的组织培养、基因植入和基因编辑技术也已经基本成熟。这两种替换胶源品种都适用于根癌杆菌基因枪转化方法和CRISPR/Cas9基因编辑技术。使用新型发根土壤杆菌介导的转化方法可以快速对蒲公英橡胶草进行基因编辑和改良。
现阶段的天然橡胶生产具有不可持续性。橡胶树单作已经对东南亚国家曾经丰富的生态系统造成了不可逆的损害。合成橡胶生产会造成大量的温室气体排放,消耗化石油气储备量。而替代胶源作物的开发带来了前所未有的东风,会打造一个社会意义和持续性意义并存的全新绿色产业。风险和影响是可以提前预估和积极防范的,可是现代社会的反应机制是在问题出现之后才找出路。就像上文提到的,我们可以把银胶菊和蒲公英橡胶草一步一步转化为我们期待的样子。无论是通过何种方式对相关品种的特性造成意外转化,这种转化对生态系统可能造成的影响都是一样的。比如不管某一特性的提升是由于自然选择、基因突变、针对性基因编辑还是外源基因引入,影响是相同的。产胶作物培育方面遇到的一个较为明显的问题是,把蒲公英橡胶草的特性转移到普通西洋蒲公英植株上可能会产生风险。基于此问题的前瞻性研究发现,北美地区的普通蒲公英属于单性繁殖三倍体,不能够接受其他植物的花粉,它们的种子在基因方面与母体完全一致。对于生产和加工地点也可以进行前瞻性研究,从而提升生态系统服务,保护水域和土壤。
总而言之,蒲公英橡胶草和银胶菊开发将会保障国际橡胶供应,稳定因期货交易造成的全球天然橡胶价格波动,增加农业及室内种植品种,减少对进口橡胶的依赖程度。从长远角度来看,温带地区国家有望完全实现天然橡胶的自给自足,甚至将剩余产量作为出口商品外销。

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