'Future-proofing' crops will require urgent, consistent effort

他写道，气温升高、更频繁且持续时间更长的干旱、灾难性降雨事件以及大气中二氧化碳浓度的上升，都会影响农作物的生长、发育和繁殖能力。虽然某些植物和地区可能会从气候变化的某些方面受益，但若不进行长期且昂贵的干预，更多的植物和地区将遭受潜在的灾难性减产。

"到2050-60年，农作物将面临与今天截然不同的环境，"Long写道。大气二氧化碳浓度已从工业化前约200 ppm（百万分之一）的水平，"在2024年达到427 ppm，预计到2050年将达到约600 ppm。"

他写道，极端高温、干旱、洪水及其他气候相关事件已在扰乱农业系统。预计的极端温度和不稳定的气候将进一步降低作物产量，加剧饥荒、政治动荡和大规模移民。

然而，仍有希望存在。Long表示，尽管面临重重挑战，但有可能通过改造作物使其得以存活，甚至或许能提高产量。虽然这个过程耗时且成本高昂，但相关工作已经启动。

例如，研究人员正在评估特定作物的不同品种的耐热性、耐旱性和耐涝性，识别那些具有潜在有益特性的品种。发现赋予这些优势的遗传特性后，科学家将通过植物育种和/或基因工程培育出更能抵御极端条件的作物。

通过艰苦的研究，科学家发现某些水稻品种在严重洪涝期间可承受长达两周的淹没，而另一些品种则具有更强的耐热性。这些发现为培育更耐逆的栽培品种提供了机会。

随着气温上升，植物必须承受一系列挑战。Long指出，大气的干燥能力会随着温度升高而增强，通过称为气孔的微小孔隙从植物叶片中抽取水分。这会降低植物的水分利用效率，加剧全球许多地区本已稀缺的水资源压力。

"植物可能部分关闭气孔以保持水分，但这会干扰其从大气中吸收二氧化碳的能力——这是光合作用的关键步骤，"Long说道。

在实验室和田间实验中，研究人员发现，增加植物体内一种传感器蛋白基因的表达量，可以在不影响光合作用的情况下减少通过气孔的水分流失。

Long写道："这一改变使田间种植的烟草叶片水平水分利用效率提高了15%，整株植物耗水量减少了30%。"由于烟草易于进行基因改造，常被用作"试验平台"，用于研究可应用于多种其他植物的改良技术。

研究人员还找到了降低水稻和小麦叶片气孔密度的方法，使水分利用效率提高15-20%，且产量不下降。

Long表示，高浓度二氧化碳本身会改变植物生理机能，有时通过促进光合作用产生有益影响，但也存在有害影响。高浓度二氧化碳会通过改变关键酶的水平来改变植物的代谢调控。科学家发现，调节参与光合作用的关键酶（rubisco）的蛋白质水平，可以在高二氧化碳环境下提高光合效率。

为了说明粮食作物可能实现的增产潜力，Long指出了玉米研究领域的显著进展——近80%的玉米用于生产乙醇和喂养动物，而非供人类直接食用。

"1980年至2024年间，美国玉米产量翻了一番，而高粱仅增长了12%，"他说。玉米的成功源于大型跨国公司的巨额投资。而在公共研究领域，尚未进行同等规模的投资。

他写道，若没有类似的投资，"很难想象……使我们的作物适应未来挑战的机遇，如何能以必要的规模得以实施。"

Long同时担任伊利诺伊大学卡尔·R·乌斯基因组生物学研究所教授。他的研究获得了盖茨农业创新组织和能源部先进生物能源及生物制品创新中心的支持。