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

他写道，更高的温度、更频繁且持续时间更长的干旱、灾难性降雨事件以及大气二氧化碳水平上升，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受益于气候变化的某些方面，但若没有长期且成本高昂的干预，更多地区将遭受潜在的灾难性减产。

朗写道："到2050-60年，农作物将经历与今天截然不同的环境。" 大气二氧化碳浓度已从工业化前约百万分之200（ppm）的水平，"在2024年达到427 ppm，预计到2050年将达到约600 ppm。"

他指出，极端高温、干旱、洪水及其他气候相关事件已在破坏农业系统。预计的极端温度与气候不稳定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。朗表示，有可能通过改造作物使其在挑战中持续生长，甚至可能提高产量。尽管该过程耗时且成本高昂，相关工作已经启动。

例如，研究人员正在评估特定农作物的不同品种对高温、干旱和洪水的耐受性，筛选具备潜在有益特性的品种。发现赋予这些优势的遗传性状将使科学家能够通过植物育种和/或基因工程培育出更能抵御极端环境的作物。

通过细致研究，科学家发现某些水稻品种能在强洪期间承受长达两周的淹没，而另一些品种则具备更强的耐热性。这些发现为开发更坚韧的栽培品种提供了机遇。

随着温度上升，植物必须承受一系列挑战。朗指出，大气干燥能力随温度升高而增强，会通过名为气孔的微小孔隙从植物叶片中抽取水分。这会降低植物水分利用效率，加剧全球许多地区本已稀缺的水资源压力。

朗表示："植物可能部分关闭气孔以保持水分，但这会干扰其从大气吸收二氧化碳的能力（光合作用的关键步骤）。"

在实验室和田间实验中，研究人员发现增强植物传感器蛋白基因的表达，可在不影响光合作用的前提下减少气孔水分损失。

朗写道："结果使大田种植烟草的叶片水平水分利用效率提高15%，整株植物耗水量降低30%。" 由于烟草基因改造速度快，常被用作研究改良措施的"试验台"，这些改良可应用于多种其他植物。

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

朗表示，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益处，但也存在有害影响。高浓度二氧化碳可通过改变关键酶水平来干扰植物代谢调控。科学家发现，调整调控核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（一种关键光合作用酶）的蛋白质水平，可在高二氧化碳条件下提升光合效率。

为展示粮食作物的潜在增益空间，朗引用了玉米研究的显著进展——美国近80%的玉米用于乙醇生产和动物饲料，而非人类直接消费。

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

他写道，若缺乏类似投入，"很难想象...为农作物构建未来适应力的方案能以所需规模实施。"

朗同时担任伊利诺伊大学卡尔·R·伍斯基因组生物学研究所教授。其研究获得盖茨农业创新机构及能源部先进生物能源与生物制品创新中心的支持。