在未來20年里，農(nóng)作物產(chǎn)量需要大幅增加，才能滿足日益增長的全球人口的糧食需要。找到如何提高作物產(chǎn)量的最佳策略，顯然是非常必要的。
一些科學家剛剛開發(fā)出了一個精確的動態(tài)模型，可以預測光合作用的變化將在多大程度上提高小麥和高粱作物的產(chǎn)量。
“我們開發(fā)了一個可靠的、生物學上嚴格的預測工具，可以量化在現(xiàn)實環(huán)境中操縱光合作用所帶來的產(chǎn)量增長。”來自轉(zhuǎn)化光合作用ARC卓越中心（COETP）和澳大利亞昆士蘭大學的Alex Wu博士說。
植物通過光合作用將陽光、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為食物。一些研究表明，這一重要的過程可以通過人為設(shè)計變得更為有效。
“以前，我們很難評估這些操作對作物產(chǎn)量的影響。但是現(xiàn)在，這一預測工具將幫助我們找到提高世界各地糧食產(chǎn)量的新方法。”Wu說。
這篇論文發(fā)表在《自然—植物》上。論文主要作者Wu說，通過整合光合作用和作物模型，這個建模工具將大跨度連接生物學尺度——從葉片內(nèi)部的生物化學作用到整片農(nóng)田的作物。
“它是一種強大的工具，可以評估和指導對植物的光合操控，也可以揭示光合效率和作物產(chǎn)量之間的關(guān)系。” Wu說。
光合作用ARC卓越中心副主任Susanne von Caemmerer教授說，這項研究最具創(chuàng)新性的一個方面是采用跨尺度的模擬方法來研究光合作用與葉片毛孔之間的相互作用。“并不是說增強光合作用就一定會增加產(chǎn)量。沒那么簡單。答案取決于具體情況。”
“例如，我們發(fā)現(xiàn)，在高粱這樣的作物中，更多的光合作用實際上可以在缺水的情況下降低產(chǎn)量。該模型預測，如果能使二氧化碳進入葉片毛孔或水蒸氣流出葉片毛孔的速率保持穩(wěn)定，我們就可以控制產(chǎn)量損失。”論文聯(lián)合作者、昆士蘭大學教授Graeme Hammer說，這項研究促進了未來作物改良所需的跨學科研究， “既然我們已經(jīng)開發(fā)并測試了這種模型，我們的下一步就是與COETP的合作者密切合作，設(shè)計模擬場景，測試其他生物工程和育種特性目標的影響。”
澳大利亞國立大學教授Graham Farquhar說：“在這項研究中，我們將把作物資源（例如水）與光合作用的反饋效應納入其中，這對于預測未來環(huán)境對作物生產(chǎn)力的影響至關(guān)重要。”
研究小組調(diào)查了三個主要的光合作用調(diào)控目標：提高主要光合酶的活性；提高葉片的電子傳輸能力；改善葉片內(nèi)層的二氧化碳流動。
研究小組的結(jié)論是，作物產(chǎn)量的變化范圍從減少1%到增加12%，這取決于光合目標、作物種類和環(huán)境條件（如水資源）的組合。
相關(guān)論文信息：DOI: 10.1038/s41477-019-0398-8
