超级高产作物（或将成为未来养活全人类的曙光）
超级高产作物（或将成为未来养活全人类的曙光）在绿色革命期间科学家利用育种，实现了通过选择将更多生物量分配到收获产品中的基因型。例如，小麦矮化基因型的选择导致谷物中的生物量更多，而茎秆中的生物量更少。事实上，在过去的50年中，通过类似的方式，主要粮食作物的产量几乎翻了一番。然而，不可能将生物量都全部转移到最终收获的果实中，因为你必须要保留果实以外的结构成分以便于植物最大化地进行光合作用，这就导致进一步遗传改良的前景越来越小。我们都知道，植物在吸收大气中的二氧化碳后，通过光合作用这个植物工厂将其转化为糖和淀粉，除了供自身生长发育外，剩余部分就是我们最终收获的。如果将其放在最为适宜的生长环境中，比如没有生物和非生物的胁迫，产量的最大值是一定的，也就是说，理想状态下一种植物通过光合作用合成的糖和淀粉量（生物量）的最大值是一定的。如果未来每公顷作物单产的提高速度保持不变，到2050年粮食供应将严重低于需求，由此导致的全球食品价格上涨可能对全球
没有什么比充足的食物供应对人类健康和福祉更重要的了。疫情、极端天气和战争，让当下人类赖以生存的粮食供应，正在经受前所未有的考验。而到2050年，全球人口将会增加至95亿，也就意味着在现在的基础上，我们还需要多生产70%左右的粮食，按照目前的耕地面积和主要粮食作物品种的单产，这的确是一个很难突破的瓶颈。不过，科学家正在寻找超级作物，这或将成为未来养活全人类的曙光。
在过去的50多年时间里，全球人口数量快速增长，从1970年代的36亿增长至当前的75亿。尽管仍有一部分人因为无法获得足够的食物而遭受营养不良，时而也有粮食危机出现，但绝大多数人都能吃饱肚子，这主要得益于小麦、水稻、玉米和大豆这四种初级食品的单位土地面积平均产量提高了一倍以上。
然而，面对当前的全球人口和食品消费趋势，未来粮食供应的形势并不乐观。预计到2050年，全球人口数量将增加至95亿，而且越来越多的人将居住在城市，导致饮食结构也越来越多的从初级食品转向加工食品，并对肉类和奶制品的需求更高，这都需要更多的初级食品来生产。例如，生产1斤牛肉需要10斤饲料，这就意味着作物的产量增长速度要远大于人口增长所估算的速率。根据联合国粮农组织预估的数据，到2050年，世界对初级食品的需求将要比现在增加70%左右。
那么，我们目前的粮食产量增长速度是否足以满足这种不断增长的需求？似乎并非如此。
如果未来每公顷作物单产的提高速度保持不变，到2050年粮食供应将严重低于需求，由此导致的全球食品价格上涨可能对全球的粮食安全产生重大影响。然而，事实是，单产增产的速度一直在下降，以水稻为例，在1970~1980年间，由于育种进步和化肥的大量使用，水稻的平均单产增加了36%，而在2000~2010年，这一增速已经下降至7%，在2010~2020年，增速已经不足5%。
面对这些事实，人们可能会问：为什么产量提高开始停滞不前了？
绿色革命的成果主要是通过改良的遗传学（育种）以及增强的农学（尤其是化肥的使用、机械化作业等）和作物保护（大量使用杀虫、杀菌剂），最终实现产量的提高。增强的农学和作物保护不用多说，大家都能很好理解，这里我们需要重点说说遗传改良。
我们都知道，植物在吸收大气中的二氧化碳后，通过光合作用这个植物工厂将其转化为糖和淀粉，除了供自身生长发育外，剩余部分就是我们最终收获的。如果将其放在最为适宜的生长环境中，比如没有生物和非生物的胁迫，产量的最大值是一定的，也就是说，理想状态下一种植物通过光合作用合成的糖和淀粉量（生物量）的最大值是一定的。
在绿色革命期间科学家利用育种，实现了通过选择将更多生物量分配到收获产品中的基因型。例如，小麦矮化基因型的选择导致谷物中的生物量更多，而茎秆中的生物量更少。事实上，在过去的50年中，通过类似的方式，主要粮食作物的产量几乎翻了一番。然而，不可能将生物量都全部转移到最终收获的果实中，因为你必须要保留果实以外的结构成分以便于植物最大化地进行光合作用，这就导致进一步遗传改良的前景越来越小。
这也引出了一个问题，光合作用对作物产量有如此强烈的影响，如果可以增加作物的光合作用，将会明显提高作物产量。
科学家在对不同作物光合作用的过程进行研究时发现，植物进行光合作用的方法（或途径）是一组成为卡尔文循环的化学反应的变体，这些反应发生在每株植物中，影响植物最终产生的生物质的碳分子的数量和类型，科学家依此使用了C3、C4和CAM的名称对植物进行了分类。
C3（普通版光合作用）植物
如果产物是三碳化合物，则称为 C3植物。我们今天赖以获取人类食物和能量的绝大多数陆地植物都使用C3途径，如小麦、大米、大豆、五谷杂粮、蔬菜、苹果、桃等等。
但C3植物的光合作用效率也是最低下的，这是因为在进行光合作用时，酶不仅会与CO2发生反应，还会与O2发生反应，从而导致呼吸作用，进而浪费光合作用合成的碳水化合物。在当前的大气条件下，C3植物的潜在光合作用被氧气抑制了40%，这种抑制的程度在干旱、强光和高温等胁迫条件下还会增加。随着全球气温上升，C3植物将难以生存，这也对未来人类的粮食供应构成潜在威胁。
C4（高配版光合作用）植物
在炎热和干燥的地方，为减少水分蒸发，经常保持气孔关闭的植物已经进化出一种不同的系统来利用进入量有限的二氧化碳。二氧化碳固定在叶肉的气孔中，产生C4碳水化合物，然后运输到叶肉的叶绿体中。鞘中的另一个细胞用于卡尔文循环以逃避呼吸作用。
C4光合作用的好处是它产生更高浓度的碳，使C4植物更善于在光线和水都较低的栖息地中生存。地球上只有大约3%的陆地植物物种使用C4途径，但它们几乎支配了热带、亚热带和暖温带的所有草原。包括玉米、高粱和甘蔗、白茅草等高产作物：这些作物在生物能源领域处于领先地位，但并不真正适合人类消费。玉米是个例外，但除非将其磨成粉状，否则很难被消化。玉米等作物也被用作动物的饲料，将能量转化为肉类，这是植物的另一种低效利用方式。
C4光合作用是C3光合作用过程的生化修正。在C4植物中，C3样式循环只发生在叶片内部的细胞中；围绕它们的是叶肉细胞，这些细胞具有更活跃的酶。正因为如此，C4植物是那些在漫长的生长季节中茁壮成长并获得大量阳光的植物。有些甚至是耐盐碱的，这让研究人员可以考虑是否可以通过种植耐盐C4物种来恢复因过去过度灌溉而导致盐碱化或者本身就是盐碱化的地区。
CAM（耐旱版）植物
在沙漠等极端炎热和干旱的地方，植物在白天气孔关闭以抵抗脱水，只有在夜间才打开气孔吸收二氧化碳，并利用白天吸收的能量来固定二氧化碳。
CAM光合作用使植物能够在干旱气候中生存，因此是仙人掌和其他沙漠植物使用的光合作用类型。然而，菠萝、龙舌兰等非沙漠植物和兰花等附生植物也使用CAM光合作用。
C4、CAM植物或将成为未来养活全人类的曙光未来三十年人类面临最大的挑战之一，就是养活世界迅速增长的人口。曾经肥沃和多产的地区变得越来越干燥和干旱，最终它们可能变得不适合农业。世界各地的科学家都在努力寻找新的方法来确保我们的食品未来，而增强植物的光合作用是提高基本粮食作物产量的一种可能方法。
由于C4和CAM超级植物特别适合在炎热和干燥的环境中茁壮成长，并且通常比C3植物多产生50%的生物量和快得多的速度。许多重要的全球粮食作物，如水稻和小麦，都含有C3光合作用变体。因此，科学家正在试图通过基因重组将C4光合特性嵌入到C3作物中，从而显着提高全球主要粮食作物的产量。
