改进模型有助于科学家更准确预测作物产量与气候变化影响
一种新的计算机模型纳入了叶片微小气孔如何随光照开启的机制，这一进展有望帮助科学家构建虚拟植物，用以预测气温升高和二氧化碳浓度上升将如何影响粮食作物。
根据今天发表在《光合作用研究》（Photosynthesis Research）期刊特刊上的一项研究，一种新的计算机模型纳入了叶片上微小气孔如何响应光照而开放的机制——这一进展可以帮助科学家创建虚拟植物，以预测更高的温度和不断上升的二氧化碳水平将如何影响粮食作物。
“这是一个令人兴奋的新计算机模型，可以帮助我们在各种条件下做出更准确的预测，”Johannes Kromdijk说，他领导了这项工作，该工作是名为“实现更高光合效率”（Realizing Increased Photosynthetic Efficiency, RIPE）的国际研究项目的一部分。
RIPE项目由伊利诺伊大学领导，旨在通过改善光合作用来培育更高产且不消耗更多水分的作物。光合作用是所有植物利用的自然过程，将阳光转化为能量，以支持生长和作物产量。RIPE由比尔及梅琳达·盖茨基金会、美国粮食与农业研究基金会（FFAR）和英国政府国际发展部（DFID）资助。
目前的工作重点是对气孔的行为进行模拟。气孔是叶片上的微小孔隙，响应光照而开放，允许水分、二氧化碳和氧气进出植物。2018年，RIPE团队在《自然·通讯》（Nature Communications）上发表了一篇论文，表明增加某种特定蛋白可以促使植物部分关闭气孔——即在不影响光合作用的前提下，显著减少水分流失。这项研究的实验数据被用于创建今天发布的这一经过改进的新气孔模型。
一种新的计算机模型纳入了叶片上微小的嘴状气孔（如图所示）如何响应光照而开放的机制——这一进展可以帮助科学家创建虚拟植物，以预测更高的温度和不断上升的二氧化碳水平将如何影响粮食作物。图片由Johannes Kromdijk提供。
“几十年来，我们已经知道光合作用与气孔开放是密切协调的，但其具体机制一直不明确，”伊利诺伊大学作物科学与植物生物学Ikenberry讲席教授Stephen Long说。“借助这个新的计算机模型，我们有了一个更好的工具来计算气孔响应光照的运动。”
Long说，最终目标是找出控制这些气孔“守门员”的机会，从而培育耐旱作物。“现在我们正在逼近缺失的一环：光合作用如何告知气孔何时开放。”
计算机建模一直是作物育种领域的重大进步。现代遗传学之父格雷戈尔·孟德尔通过在八年时间里种植和杂交超过10,000株豌豆植物，取得了豌豆植物从亲本遗传性状这一突破性发现。如今，植物科学家可以利用这些模拟植物生长的复杂计算机模型，在几秒钟内虚拟种植数千种作物。
气孔模型与光合作用模型配合使用，可以进行从未来作物产量到作物管理的广泛预测，例如作物在缺水时的反应。此外，这些模型还可以让科学家预览小麦、玉米或水稻等作物将如何受到二氧化碳水平上升和气温升高的影响。
“之前的气孔模型所使用的关系与我们目前对气孔运动的理解并不一致，”现任剑桥大学讲师的Kromdijk说。“我们发现，新版本几乎不需要太多调整就能做出高度准确的预测。”
从左至右：科学家Johannes Kromdijk、Stephen Long和Katarzyna Glowacka改进了一个用于作物预测的模型，纳入了叶片上微小的嘴状气孔如何响应光照而开放的机制。图片来源：Brian Stauffer/伊利诺伊大学
尽管如此，要证明这一改进后的模型能在各种应用中发挥作用，并进一步夯实气孔与光合作用之间的关系，还有很多工作要做。
“我们必须证明这个模型适用于多样的物种和地点，”前RIPE成员、现任内布拉斯加大学林肯分校助理教授的Katarzyna Glowacka说。“大规模模拟模型串联了大气湍流、光拦截、土壤水分有效性等多种模型——所以我们必须让多个研究界相信，这是一项值得做出的改进。”