研究团队打造需水少的高效生物能源作物

长久以来，干旱胁迫始终是全球农作物生产的制约因素，而气候变化更是让这一挑战愈发严峻。

一个多世纪以来，科学家们一直将一种被称作水分利用效率（WUE）的关键植物性状当作目标，旨在帮助作物在用水量更少的情况下生长，同时避免遭受干旱胁迫。

更高的 WUE 能够帮助植物规避干旱胁迫，不过对于大多数作物而言，在水分充足的时候，它还与较低的生产力有关。

在第一项研究中，CABBI 团队能够通过减少高粱植株叶表面的气孔（或孔隙）数量来降低水分流失，在不限制光合作用和生物量生产的状况下提高 WUE。

“对于 C4 物种，我们觉得我们能够不劳而获。我们能够提高水分利用效率，而不必在植物有充足水分时在其生长状况上做出让步。这是一种特殊情况，”CABBI 主任安德鲁·利基（Andrew Leakey）说道，他是这两项研究的团队负责人。

在第二项研究中，研究人员发现，降低甘蔗和其他 C4 作物的气孔密度会同时致使气孔开口变宽。这抵消了 WUE 预期的部分改善。

这种反应的潜在机制还未被完全弄明白，因此这一发现为设计更高效的植物提供了一个有价值的新目标。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校植物生物学和作物科学系以及卡尔·R·沃斯基因组生物学研究所（IGB）的迈克尔·艾肯主席兼教授利基表示，这些发现将共同有助于最大限度地提高生物能源原料的产量，帮助作物减轻供水不足的影响，并开辟植物研究的新途径。

“它为新的科学发现和工程策略提供了一个令人兴奋的机会，”IGB 和伊利诺伊州数字农业中心植物生物学的 CABBI 博士后研究员丹尼尔·伦恩说，他是甘蔗研究的首要作者。

这项研究的 CABBI 主要合作者包括原料生产联合首席研究者、内布拉斯加大学的生物技术尤金·W·普赖斯杰出教授汤姆·克莱门特和佛罗里达大学的农学教授弗雷迪·阿尔特彼得。高粱论文的主要作者是 IGB 的前博士后研究员约翰·弗格森。

在植物进行光合作用的过程中，光能被捕获并用于将水和二氧化碳（CO2）转化为富含能量的有机化合物。

水分利用效率指的是，植物所实现的光合作用碳获取量——或者更笼统来讲，所产生的生物量——与它的用水量之间的相对关系。

在绝大多数植物以及提高植物水分利用效率（WUE）的绝大多数努力中，科学家们面临着一种会抑制作物改良的权衡：让植物更有效地利用水分，会降低其内在生产力、光合作用的碳获取量以及生长速度。

但 C4 作物——包括高粱、甘蔗和芒草，这些都是 CABBI 的目标生物能源作物——构造有所不同。

尽管 C4 作物仅占所有植物物种的 5%，但它们对于粮食、燃料和纤维的农业生产而言变得越来越重要。

通过新的 WUE 研究，‘我们正在选取那些作为作物已经具有优势的植物，然后有可能在不影响碳获取的前提下让它们变得更好，’利基说。

该团队正在更多的 CABBI 植物物种里探寻这种工程方法，同时对设计予以微调。

利基表示，CABBI 原料生产团队的其他研究人员在芒草方面所做的开创性工作——对芒草基因组进行测序以及开发出首批基因编辑技术——将“让我们能够在一种极为重要的、新兴的多年生原料作物中推行这种工程策略，该作物能够封存大量的碳”。

他补充道：“克服作物生产中的水资源限制，对于达成我们支撑盈利、可持续且有弹性的生物经济这一使命，确实极为关键。”

利基称，叶子、根以及其他植物特征已然进化，以此应对光合作用中碳获取与水分流失之间的基本权衡，这些过程对于作物在无灌溉的情况下能在哪里生长有着压倒性的影响。

开发需水量降低 10%至 20%的作物能够将美国的雨养农业区进一步朝西拓展，并让当前种植区的农民即便在降雨量匮乏的年份也能维持盈利的收成——在气候变化的情形下，这是一种更为频繁的威胁。

利基说：“我们在此努力开展的部分工作是在供水短缺的时间和地点保持生产力的提升。”