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

高温天气频发、干旱持续时间延长、极端降雨事件加剧以及大气二氧化碳浓度持续攀升，正深刻影响着农作物的生长发育和繁殖能力。尽管部分植物和地区可能受益于气候变化的某些方面，但若不采取持续且高成本的干预措施，更多作物将面临产量灾难性下降的风险。

伊利诺伊大学教授朗氏指出："2050-60年间，农作物将面临与当前截然不同的环境背景"。大气二氧化碳浓度已从工业化前的200 ppm攀升至2024年的427 ppm，预计2050年将达到600 ppm。这种浓度变化将直接影响植物的光合代谢路径——虽然高浓度二氧化碳可能通过提升光合效率增加产量，但也会改变植物酶系统调控机制，导致代谢失衡。

当前极端高温、干旱和洪水等气候灾害已开始瓦解农业生产体系。模型预测显示，未来气候不稳定性将导致作物减产加剧，进而引发饥荒、政局动荡和大规模人口迁徙。以小麦为例，温度每升高1℃可能导致华北平原冬小麦全生育期缩短2.71天，生殖生长期减少1.07天。

科研人员正从基因层面寻求突破：通过筛选具有耐热、抗旱或耐涝特性的种质资源，解析其遗传机制并开发改良品种。例如，研究发现某些水稻品种能在洪涝中存活两周，这为培育抗逆品种提供了关键基因靶点。在气孔调控方面，通过烟草模型验证的传感器蛋白基因过表达技术，可使叶片水平的水分利用效率提升15%，整株耗水量降低30%。针对小麦和水稻的气孔密度调控技术，也已实现15-20%的水分利用效率增益且不影响产量。

高温环境下植物面临着多重胁迫：大气干燥度加剧导致气孔蒸腾失水加速，迫使植物通过部分关闭气孔维持水分，但这会限制二氧化碳吸收从而抑制光合作用。值得注意的是，科学家通过调控核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）活化酶含量，成功在高二氧化碳环境中提升光合效率。这种酶系统调节机制为解决碳代谢失衡提供了新思路。

在作物改良典范方面，美国玉米育种成就显著：1980-2024年间产量翻番，而同期高粱仅增长12%。这种差异源于跨国企业对玉米研发的持续投入，突显了私营资本在农业创新中的关键作用。但公共领域的同类投资明显不足，可能影响技术转化的规模效应。

植物应对气候挑战需要多维度创新：从光能捕获效率提升到碳氮协同代谢优化，从根系构型改良到胁迫记忆机制的利用。以豆科牧草为例，其光合固碳与生物固氮的协同增效机制，为构建高生物量-高蛋白生产系统提供了理论依据。此外，胁迫记忆理论揭示植物可通过生理调节形成环境适应性，这为培育气候智能型作物开辟了新方向。

尽管技术进步带来希望，但规模化应用仍面临挑战：气候变化影响评估存在模型不确定性，极端事件对农业系统的非线性冲击难以量化，且作物模型对复合胁迫的响应机制尚不完善。因此，亟需建立多模型集成、多数据融合的评估体系，同时加强田间控制实验与遥感监测技术的结合。

从政策层面看，构建气候适应性农业需双轨并行：既要通过保护性耕作和农林复合系统提升碳汇能力，也需建立气候风险预警与灾害保险机制。欧盟在作物模型与气候模式耦合评估方面的经验，以及中国在间套作模式机械化方面的探索，都为应对气候变化提供了可借鉴的路径。