轮胎、手套、医用器材、电线电缆……我们的生活离不开天然橡胶,但长期以来,橡胶几乎都来自热带橡胶树。而一种形似蒲公英的植物——橡胶草,因其根系能分泌优质的天然橡胶,正成为全球关注的战略作物。
今年6月,中国科学家通过基因编辑技术将橡胶草的橡胶含量提升至近30%,为我国天然橡胶自主可控提供了重要的技术支撑。为什么说橡胶草是“黄金草”?中国科学家靠这株不起眼的小草,如何突破橡胶的“卡脖子”难题?
草本植物是产胶高手
天然橡胶,与石油、钢铁、煤炭并称为“四大工业原料”,广泛应用于汽车制造、航空航天、医疗卫生等领域,在保障国民经济和国家安全方面具有重要的战略意义。虽然如今可以生产合成橡胶,但是天然橡胶依然是不少尖端科技产品的重要用料之一。
现在,自然界中能合成天然橡胶的植物超过2000种,但真正具备工业利用价值的只有三类:巴西橡胶树、银胶菊以及橡胶草。
全球橡胶产业的核心供给,都高度绑定于橡胶树这种热带植物,一旦其种植遭遇病害暴发、极端天气等冲击,橡胶产业链也会面临严峻考验。而橡胶草是草本植物里的“产胶高手”,有人将路边的橡胶草当作蒲公英吹,或者将它的根放在嘴里咀嚼,非常有嚼劲,就像在吃口香糖,殊不知它是一株宝藏植物。
作为产胶的草本植物,橡胶草本身具备许多优势。
橡胶草是一种“草”,是菊科蒲公英属的多年生草本植物。橡胶树通常需要数年成林,一次种植、多年采收,而橡胶草的生长周期较短,当年种植即可收获提胶,更契合现代化农业的生产方式。
橡胶草的橡胶主要产自根部,而且产生的橡胶化学结构与巴西橡胶树的天然橡胶高度相似,都具有高弹性、耐磨耗、耐冲击等性能,可以直接用于工业级橡胶制品。
最让人惊喜的是,橡胶草“四海为家”,种植区域广泛。由于它耐寒、耐旱、耐贫瘠又耐盐碱,能够在温带、寒温带的大片边际土地上正常生长。我国大部分地区处于温带,非常适合橡胶草的规模化种植。这也意味着,橡胶草有望从根本上打破橡胶树只能在热带生长的地域限制,成为最具潜力的替代胶源之一。
路边的橡胶草
从“走红”到被遗忘
那么,橡胶草又是如何被发现的?
真正让橡胶草“走红”的,源于战争年代的天然橡胶紧缺。第二次世界大战期间,随着东南亚主要产胶区被占领,全球约90%的天然橡胶供应被切断,军工和工业生产骤然面临原料断供危机。许多国家都在寻求可以生产橡胶的替代办法。
当时,苏联启动了“寻找橡胶植物”运动,科学家在现哈萨克斯坦南部地区发现了一种植物,其根部含有天然橡胶和菊糖成分,完全可以用来生产橡胶。苏联进而在现哈萨克斯坦、白俄罗斯、乌克兰等地大量种植,为前线的坦克、军靴、轮胎等军事物资的制造提供了关键支撑。
几乎同一时期,美国、英国、德国等纷纷寻找本土产胶植物,美国在1942年启动了“紧急橡胶项目”。我国也在20世纪50年代在新疆地区发现了橡胶草,并从中提取橡胶,成功试制出汽车轮胎、自行车胎和胶鞋等产品。
在战争的特殊年代,橡胶草作为关键的战略备用资源,充分证明了其战时应急的重要价值。
“二战”结束后的一段时间内,许多国家都放弃了种植橡胶草,相应的研发应用也都停止。橡胶草迅速退出主流舞台。一方面,由于橡胶树的种植面积和种植技术不断提升,把天然橡胶价格大幅拉低,形成了绝对的成本优势。另一方面,橡胶草自身的不足和限制因素慢慢体现出来。
作为一种尚未得到有效“驯化”的野生植物,橡胶草存在明显的种质短板。它的植株生物量小、抗杂草能力弱,而且其根部的橡胶含量普遍偏低,一年生的橡胶草干根含胶量仅约6%,整体投入产出比远不及成熟的橡胶树。在激烈的市场竞争中,橡胶草自然落了下风,研发与应用一度被各国叫停。这株草本植物逐渐被人遗忘。
新世纪有新发现
进入21世纪以后,局面悄然扭转。橡胶草又重新成为世界各国的资源角逐焦点。
一方面,随着新能源、高端装备、精密制造等新兴产业快速发展,全球对高品质天然橡胶的需求持续攀升,橡胶树的供给缺口不断扩大。另一方面,由于橡胶树的热带产区频发极端灾害,以及橡胶树病害的流行,使得橡胶树的种植面积不断缩小,天然橡胶又成为全球紧缺的战略资源。就这样,橡胶草重新登上历史舞台。
中国科学家还发现,令一些经济作物望而生畏的盐碱地,是橡胶草的黄金生长地。相较于非盐碱地,盐碱地上生长的橡胶草其胶质含量可高达2至3倍,凸显了其在逆境中的生长优势。就这样,我国科学家历经数十年的接续攻关,在盐碱地里走出了一条天然橡胶的科技突围之路。
我国约有15亿亩的盐碱地,目前可利用的约5亿亩。此前,我国对开发利用盐碱地进行了大量研究,实现了盐碱地上种水稻的突破,如今橡胶草的加入,使得我国的盐碱地进一步被利用。
据统计,新疆的盐碱地约占全国的40%,可以说是橡胶草得天独厚的种植区。一旦实现规模化生产,新疆大片的盐碱地将变废为宝,实现令世人瞩目的经济效益。科研人员也在研究橡胶草与其他经济作物的间种模式,比如一些同样适合新疆地区种植的果树,这种种植模式可以形成更好的生态循环,对当地的环境起到改善作用。
这场征程刚开始
专家认为,要让橡胶草真正与橡胶树同台竞争,必须先迈过产量这道关口。
近日,中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士团队,就在这道难题上取得关键突破。据中国科学院的官网消息,科学家通过大量研究,揭示了蔗糖分配与橡胶合成的竞争机制,并且通过敲减菊糖合成的关键基因,实现了产胶量的增产,将含胶量从野生型约6%提升至近30%,最佳产能可达野生型的4倍之多,达到工业化应用标准。
在专家看来,这项成果意味着在橡胶草种质的创新赛道上,我国已凭借自主创新实现了与发达国家的并跑,为橡胶草的工业化应用按下了加速键。
研究人员同时发现,大幅度的代谢重构也会打破植株原有的次生代谢与激素平衡,从而产生典型的代谢权衡效应,即当植株把更多资源优先投向橡胶合成时,其根系的营养生长会受到影响,使得根的生物量有所下降。
这也提示我们,实现这株“黄金草”的量产,不能只盯住某个基因,还需要进一步研究突破,推动育种的改良。
不管怎么说,这只是一个开始,验证了一种路径的可能性。橡胶草的征程,是一场关于替代与突围的探索。这样的探索,远远没有画上句号。