'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。尽管某些植物和地区可能受益于气候变化的某些方面，但若没有持久且成本高昂的干预，更多的作物将面临潜在的灾难性减产。

"到2050-60年，农作物将面临与当今截然不同的环境，"朗写道。从工业化前约200百万分率（ppm）的水平来看，"大气中的二氧化碳浓度在2024年已达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。预计的极端温度及气候不稳定性将进一步降低作物产量，加剧饥饿、政治动荡和大规模移民。

然而也存在希望。朗表示，有可能通过改造作物使其能够在挑战中存活，甚至可能提高产量。虽然该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，以识别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耐受极端环境的作物。

通过细致的工作，科学家们发现某些水稻品种能在强洪水淹没条件下存活长达两周，而其他品种则具有更强的耐热性。这些发现为开发更强壮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。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走水分。朗表示，这会降低植物的水分利用效率，加剧全球许多地区本就稀缺的水资源压力。

"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，而这是光合作用的关键步骤，"朗说道。

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，同时不影响光合作用。

"其结果是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%，"朗写道。由于烟草易于进行基因改造，常被用作研究改良措施的'试验床'，这些措施亦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，使水分利用效率提高15-20%，且产量未下降。

朗指出，高浓度二氧化碳本身会改变植物生理，有时通过促进光合作用产生有益影响，但也会产生有害效应。高浓度二氧化碳可通过改变关键酶的水平来影响植物代谢调控。科学家们发现，调整调控RuBP羧化酶（一种关键光合酶）的蛋白质水平，可在高浓度二氧化碳环境下提高光合效率。

为展示粮食作物可能取得的收益，朗提到了玉米研究取得的显著进展——近80%的玉米用于乙醇生产和动物饲料，而非人类直接消费。

"1980年至2024年间，美国玉米产量翻了一番，而高粱仅提高了12%，"他表示。玉米的成功源于大型跨国公司的巨额投资。但在公共领域方面，尚未进行同等规模的投资。

他写道，若无类似投入，"很难看出……使作物具备未来适应力的机遇如何能以必要的规模实施。"

朗同时担任伊利诺伊大学卡尔·R·沃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。