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

他写道，更高的温度、更频繁且更持久的干旱、灾难性的降雨事件以及不断上升的大气二氧化碳水平，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，但如果没有持久且昂贵的干预，更多的植物将遭受潜在的灾难性衰退。

"到2050-60年，农作物将经历与今天显著不同的环境，"朗写道。大气中的CO₂浓度从工业化前约200ppm的水平，"在2024年达到了427 ppm，预计到2050年将达到约600 ppm。"

他写道，极端高温、干旱、洪水和其他气候相关事件已经在扰乱农业系统。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、政治动荡和人口大规模迁移。

然而，还是存在一些希望。朗表示，有可能通过改良作物，使它们能够在挑战面前持续生长，甚至可能提高产量。虽然这个过程耗时且可能成本高昂，但相关工作已经开始。

例如，研究人员正在评估特定农作物不同品种的耐热性、耐旱性和耐淹性，识别那些具有潜在有益特性的品种。发现赋予这些益处的遗传性状将使科学家能够通过植物育种和/或基因工程开发出更能耐受极端环境的作物。

通过细致的工作，科学家们发现，一些水稻品种在强降雨导致淹没期间能存活长达两周，而其他品种则比其他品种更耐热。这些发现为开发更强健的栽培品种提供了机会。

随着气温升高，植物必须抵御一系列挑战。朗指出，大气干燥能力随温度升高而增强，会通过称为气孔的微小孔隙将水分从植物叶片中抽出。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。

"植物可能会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，而这是光合作用的关键步骤，"朗说。

在实验室和田间试验中，研究人员发现，提高植物中一种传感器蛋白基因的表达量，可以在不干扰光合作用的情况下减少通过气孔的水分流失。

朗写道："其结果是在田间种植的烟草中，叶片水平的水分利用效率提高了15%，整株植物的用水量减少了30%。"由于烟草在基因改造方面具有高速的优势，它常被用作"试验平台"，用于研究可应用于多种其他植物的改良方法。

研究人员还找到了降低水稻和小麦叶片气孔密度的方法，在不降低产量的情况下将水分利用效率提高了15-20%。

朗说，高浓度二氧化碳本身会改变植物的生理机能，有时会通过促进光合作用产生有益影响，但也会产生不利影响。高浓度CO₂会通过改变关键酶的水平来改变植物的代谢调控。科学家们发现，调整调控关键光合酶rubisco的蛋白质水平，可以在高CO₂环境下提高光合效率。

为了证明粮食作物可能实现何种程度的增产，朗提到了玉米研究方面取得的显著进展，其中近80%的玉米用于生产乙醇和饲养动物，而非供人类食用。

"1980年至2024年间，美国玉米产量翻了一番，而高粱仅提高了12%，"他说。玉米的成功得益于大型跨国公司的巨额投资。而在公共领域方面，尚未进行同等的投资。

他写道，如果没有类似的投入，"很难看出……那些为我们的作物进行'未来验证'的机会，如何能够在必要的规模上得以实施。"

朗也是伊利诺伊大学卡尔·R·沃伊斯基因组生物学研究所的教授。他的研究得到了盖茨农业创新公司和能源部先进生物能源及生物制品创新中心的支持。