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农艺学
光合作用如何影响未来作物产量
      在未来20年里,农作物产量需要大幅增加,才能满足日益增长的全球人口的粮食需要。找到如何提高作物产量的最佳策略,显然是非常必要的。
      一些科学家刚刚开发出了一个精确的动态模型,可以预测光合作用的变化将在多大程度上提高小麦和高粱作物的产量。
      “我们开发了一个可靠的、生物学上严格的预测工具,可以量化在现实环境中操纵光合作用所带来的产量增长。”来自转化光合作用ARC卓越中心(COETP)和澳大利亚昆士兰大学的Alex Wu博士说。
      植物通过光合作用将阳光、二氧化碳和水转化为食物。一些研究表明,这一重要的过程可以通过人为设计变得更为有效。
      “以前,我们很难评估这些操作对作物产量的影响。但是现在,这一预测工具将帮助我们找到提高世界各地粮食产量的新方法。”Wu说。
      这篇论文发表在《自然—植物》上。论文主要作者Wu说,通过整合光合作用和作物模型,这个建模工具将大跨度连接生物学尺度——从叶片内部的生物化学作用到整片农田的作物。
      “它是一种强大的工具,可以评估和指导对植物的光合操控,也可以揭示光合效率和作物产量之间的关系。” Wu说。
      光合作用ARC卓越中心副主任Susanne von Caemmerer教授说,这项研究最具创新性的一个方面是采用跨尺度的模拟方法来研究光合作用与叶片毛孔之间的相互作用。“并不是说增强光合作用就一定会增加产量。没那么简单。答案取决于具体情况。”
      “例如,我们发现,在高粱这样的作物中,更多的光合作用实际上可以在缺水的情况下降低产量。该模型预测,如果能使二氧化碳进入叶片毛孔或水蒸气流出叶片毛孔的速率保持稳定,我们就可以控制产量损失。”论文联合作者、昆士兰大学教授Graeme Hammer说,这项研究促进了未来作物改良所需的跨学科研究,“既然我们已经开发并测试了这种模型,我们的下一步就是与COETP的合作者密切合作,设计模拟场景,测试其他生物工程和育种特性目标的影响。”
      澳大利亚国立大学教授Graham Farquhar说:“在这项研究中,我们将把作物资源(例如水)与光合作用的反馈效应纳入其中,这对于预测未来环境对作物生产力的影响至关重要。”
      研究小组调查了三个主要的光合作用调控目标:提高主要光合酶的活性;提高叶片的电子传输能力;改善叶片内层的二氧化碳流动。
      研究小组的结论是,作物产量的变化范围从减少1%到增加12%,这取决于光合目标、作物种类和环境条件(如水资源)的组合。
      相关论文信息:DOI:10.1038/s41477-019-0398-8
      
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中国科学报
2019年05月07日

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