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

他写道，更高的温度、更频繁和更持久的干旱、灾难性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受益于气候变化的某些方面，但若不进行长期且代价高昂的干预，更多的植物和地区将遭受潜在的灾难性衰退。

朗写道：“到2050-2060年，农作物将面临与今天截然不同的环境。” 大气二氧化碳浓度“从工业化前约百万分之200的水平，在2024年达到了百万分之427，预计到2050年将达到约百万分之600。”

他写道，极端高温、干旱、洪水和其他与气候相关的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，加剧饥饿、政治动荡和大规模移民。

然而，仍有希望。朗指出，有可能改良作物，使它们能够在挑战中存活下来，甚至可能提高产量。虽然这一过程耗时且成本高昂，但相关工作已经开始。

例如，研究人员正在评估特定作物不同品种的耐热性、耐旱性和耐淹性，以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抵御极端环境的作物。

通过艰苦的工作，科学家发现一些水稻品种在强洪水期间能存活长达两周的水淹，而另一些品种则比其他品种更耐热。这些发现为开发更坚韧的栽培品种提供了机会。

随着温度上升，植物必须承受一系列挑战。朗说，大气干燥能力随温度升高而增强，通过称为气孔的微小孔隙从植物叶片中吸取水分。这降低了植物的水分利用效率，加剧了全球许多地区本已稀缺的水资源压力。

朗说：“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。”

在实验室和田间试验中，研究人员发现，增加植物中一种传感器蛋白基因的表达，可以减少通过气孔的水分流失，同时不干扰光合作用。

朗写道：“其结果是，田间种植的烟草在叶片水平的水分利用效率提高了15%，整株植物耗水量减少了30%。”由于烟草基因改造速度快，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案。

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了15-20%，且产量不减。

朗指出，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，但也会产生有害影响。高浓度二氧化碳会改变关键酶的水平，从而改变植物的代谢调控。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，可以在高浓度二氧化碳环境下提高光合作用效率。

为了说明粮食作物可能取得何种成效，朗提到了玉米研究取得的显著进展，其中近80%用于生产乙醇和饲养动物，而非供人类食用。

他说：“1980年至2024年间，美国玉米产量翻了一番，而高粱仅提高了12%。”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，尚未进行同等规模的投资。

他写道，若无类似投资，“很难看出……那些增强作物未来适应性的机会，如何能在必要的规模上得以实施。”

朗还是伊利诺伊大学卡尔·R·沃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和能源部先进生物能源与生物制品创新中心的支持。