据预测，人口将从1950年的50亿增加到2050年的105亿。这是一个让吃惊的数字，因为人口在短短的100年内将翻一翻。我们现在这代人将会看到这一惊人的人口暴涨。
然而同时，可耕种土地面积在减少，作物生产力在停滞状态。
上一次因人口膨胀而农业生产无法满足人类需求时，由于绿色革命人类获救了。育种家经过传统育种大大提高了作物的收获指数（即将作物的一部分生物产量转移到籽粒）。今天玉米的果穗远远大于上世纪20年代的。
但是，收获指数也只能提高到现在的水平，因为不可能将所有生物量转移到籽粒上去。当收获指数达到理论上限时，作物的生产力也将陷入平缓。
植物学家能否另辟蹊径？一种可能是，重新设计光合作用。光合作用是指植物将光照和二氧化碳转化为糖和其它作为食物的终产物的过程。
目前作物的光合效率非常低。圣路易斯华盛顿大学著名教授Robert Blankenship说，我们期望我们放在植物顶端的光合细胞可以使光合效率至少提高15-20%。好的话，每株可提高1%的效率。
光合作用作为作物产量的决定性因素还没有接近它的生物上限。
植物自身很难达到太阳细胞（SolarCell）的效率，但是太阳细胞自身也不会为你提供午餐。如果我们能使光合效率提高两至三倍---我认为这是可能的---对农业生产会产生巨大的影响。
这到底如何实现呢？2013年5月，Donald Ort和Sabeeha Merchant在冷泉港实验室组织了一次研讨会。在这次研讨会上，世界顶级的植物学家们讨论了如何按照人们的意愿对植物进行重新设计。Bkankenship也参加了这个会议，并专门针对本次会议发表文章进行详细描述。（详见2015年7月14日Proceedings of theNational Academy of Sciences）
层状冠层
设计一个智能的冠层，层状的冠层，通过相互协作，从而提高植物的光合作用效率。这种冠层可以在阳光从顶端照射到地面时，吸收更多的光照。
一个理想的冠层（右），顶部的叶片当吸收足够的光照后，叶片会变得直立，采光天线（绿色的椎体）会减少。下部的叶片有较大的天线满足较少小的光合作用中心。顶部叶片含有的光合作用酶RuBisCO具有较强的催化作用，不能较好的区分氧气中的碳。下部的叶片光合作用酶RuBisCO反应较慢，也不更易获取氧气。
植物只能吸收一小部分光照。因此，一天当中多数时间光照都是远远超过了植物所需。早上和晚上的光照基本是满足了植物的需求，而中午的光照是富裕的，植物不能利用这多余的能量。
通过改变植株叶片的角度可避免上部叶片光照饱和而下部叶片光照不足的现象。当上部叶片完全直立下部叶片水平能更好的提高光合效率。
光是通过叶片当中的光合色素来吸收—即叶绿体和类胡萝卜素。这些光合色素将光能传送到光反应中心进行化学反应。每个光反应中心都含有几百个光合色素分子。
如果植株每一层级的叶片针对光照有相应的光合色素分子量，这样植株可以更好的吸收光。上部叶片有好的光照，需要少量的光合色素分子量来满足光反应中心的需求，叶片浅绿；下部的叶片需要较大的光合色素来满足相对较少的光反应中心，叶片浓绿。
不仅光照强度随着叶片高度的降低和发生变化，光谱也发生了变化。Blankenship说，植物只能利用非常窄的一部分光谱。通常来说，植株叶片能吸收的光谱和人的可见光谱基本是一样的，其它两边的基本上都是浪费掉了，更不用说吸收了。
太阳细胞可以吸收到近红外线附近的光谱，这也是为什么太阳细胞能比植物更有效的原因。
第三个方案是对不通层的叶片里插入不同的光合色素。上层的叶片以叶绿素a为主下手可见光谱；下部的叶片主要吸收红外光以叶绿素d为主。
聚合更多的酶
尝试了多种方式来提高对不同光强和光谱的吸收，科学家遇到了一个障碍，这就是光合作用酶RuBisCO。
RuBisCO在第一个重要的步骤即碳的固定中其到重要作用。酶有两个特点：1.作为催化剂就是加速化学反应，而RuBisCO反应较慢，转化效率非常低，每秒钟只有几次，有些酶转化效率达到每秒成千上万次。
因为RuBisCO非常小，需要大量的RuBisCO才足以支撑光合作用
RuBisCO酶结构示意图 （来源：wikimidia commons）
2. RuBisCO对二氧化碳和氧气的辨别力不强。25-30%的时候可能和氧气产生反应。碳固定反应过程中会释放一种有毒化合物乙醇酸盐，必须除掉。通过光呼吸可以去除这种有毒化合物。
多数植物中固定1/3的二氧化碳在光呼吸过程损失。有人认为光呼吸是有促进作用的，但多数人不支持这种观点。Blankenship说，自然界有很多不通类型的RuBisCO酶。如果酶能够很好的区分氧气和二氧化碳，反应就比较缓慢；反之，就不能很好的区分。
因此，将催化效率高的RuBisCO放到上部的叶片，就可以充分吸收多余的光照；特定的RuBisCO放到下部光照不足的叶片可以减少光呼吸带来的损失。
另一种方式是给植物配置特殊的碳固定系统（在少数作物中发现了）。这些植物中的RuBisCO集中在特殊的细胞里，从而转运更多的二氧化碳到这些细胞。（有C3和C4两种类型，多数植物为C3植物。）
近年来将C4植物的新陈代谢系统转入C3植物（水稻）的研究引起了更多的关注。将水稻变成C4是个巨大的挑战，需要国际上不同专家协同努力。C4光合成所需的酶在植物中都存在，关键是将他们放置到合适的位置，使他们在合适的时间起作用。
在理想的冠层设计中，顶层的叶片会聚合更多的碳，底层的叶片由于缺乏能量，通过扩撒来运输二氧化碳。
Blankenship说，上面有些思路很容易实现，有望在几年内完成。有些可能需要重新设计，甚至重组光合作用的系统组织结构。
他说，吸引人的是，光合作用处在获取光能的最前端。在一开始就将能量损失，后面的过程是无法弥补的。因此，提高前段的效率是最有效的做法。
