研究團隊打造需水少的高效生物能源作物

長久以來，乾旱脅迫始終是全球農作物生產的制約因素，而氣候變化更是讓這一挑戰愈發嚴峻。

一個多世紀以來，科學家們一直將一種被稱作水分利用效率（WUE）的關鍵植物性狀當作目標，旨在幫助作物在用水量更少的情況下生長，同時避免遭受乾旱脅迫。

更高的 WUE 能夠幫助植物規避乾旱脅迫，不過對於大多數作物而言，在水分充足的時候，它還與較低的生產力有關。

在第一項研究中，CABBI 團隊能夠通過減少高粱植株葉表面的氣孔（或孔隙）數量來降低水分流失，在不限制光合作用和生物量生產的狀況下提高 WUE。

“對於 C4 物種，我們覺得我們能夠不勞而獲。我們能夠提高水分利用效率，而不必在植物有充足水分時在其生長狀況上做出讓步。這是一種特殊情況，”CABBI 主任安德魯·利基（Andrew Leakey）說道，他是這兩項研究的團隊負責人。

在第二項研究中，研究人員發現，降低甘蔗和其他 C4 作物的氣孔密度會同時致使氣孔開口變寬。這抵消了 WUE 預期的部分改善。

這種反應的潛在機制還未被完全弄明白，因此這一發現爲設計更高效的植物提供了一個有價值的新目標。

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校植物生物學和作物科學系以及卡爾·R·沃斯基因組生物學研究所（IGB）的邁克爾·艾肯主席兼教授利基表示，這些發現將共同有助於最大限度地提高生物能源原料的產量，幫助作物減輕供水不足的影響，並開闢植物研究的新途徑。

“它爲新的科學發現和工程策略提供了一個令人興奮的機會，”IGB 和伊利諾伊州數字農業中心植物生物學的 CABBI 博士後研究員丹尼爾·倫恩說，他是甘蔗研究的首要作者。

這項研究的 CABBI 主要合作者包括原料生產聯合首席研究者、內布拉斯加大學的生物技術尤金·W·普賴斯傑出教授湯姆·克萊門特和佛羅里達大學的農學教授弗雷迪·阿爾特彼得。高粱論文的主要作者是 IGB 的前博士後研究員約翰·弗格森。

在植物進行光合作用的過程中，光能被捕獲並用於將水和二氧化碳（CO2）轉化爲富含能量的有機化合物。

水分利用效率指的是，植物所實現的光合作用碳獲取量——或者更籠統來講，所產生的生物量——與它的用水量之間的相對關係。

在絕大多數植物以及提高植物水分利用效率（WUE）的絕大多數努力中，科學家們面臨着一種會抑制作物改良的權衡：讓植物更有效地利用水分，會降低其內在生產力、光合作用的碳獲取量以及生長速度。

但 C4 作物——包括高粱、甘蔗和芒草，這些都是 CABBI 的目標生物能源作物——構造有所不同。

儘管 C4 作物僅佔所有植物物種的 5%，但它們對於糧食、燃料和纖維的農業生產而言變得越來越重要。

通過新的 WUE 研究，‘我們正在選取那些作爲作物已經具有優勢的植物，然後有可能在不影響碳獲取的前提下讓它們變得更好，’利基說。

該團隊正在更多的 CABBI 植物物種裡探尋這種工程方法，同時對設計予以微調。

利基表示，CABBI 原料生產團隊的其他研究人員在芒草方面所做的開創性工作——對芒草基因組進行測序以及開發出首批基因編輯技術——將“讓我們能夠在一種極爲重要的、新興的多年生原料作物中推行這種工程策略，該作物能夠封存大量的碳”。

他補充道：“克服作物生產中的水資源限制，對於達成我們支撐盈利、可持續且有彈性的生物經濟這一使命，確實極爲關鍵。”

利基稱，葉子、根以及其他植物特徵已然進化，以此應對光合作用中碳獲取與水分流失之間的基本權衡，這些過程對於作物在無灌溉的情況下能在哪裡生長有着壓倒性的影響。

開發需水量降低 10%至 20%的作物能夠將美國的雨養農業區進一步朝西拓展，並讓當前種植區的農民即便在降雨量匱乏的年份也能維持盈利的收成——在氣候變化的情形下，這是一種更爲頻繁的威脅。

利基說：“我們在此努力開展的部分工作是在供水短缺的時間和地點保持生產力的提升。”