对流层中的臭氧(O3)对作物生长和发育产生负面影响，导致全球作物产量大幅下降。这种空气污染物并非直接来自烟囱或车辆，而是其他污染物(主要是氮氧化物和挥发性有机化合物)在阳光下发生反应时形成的。在污染日益严重的大气中，了解哪些植物能够耐受O3对于提高作物生产力和恢复力至关重要。

在先进生物能源和生物产品创新中心(CABBI)原料生产和可持续发展主题之间的合作中，研究人员研究了升高的O3对五种C3作物(鹰嘴豆、水稻、菜豆、大豆、小麦)和四种C4作物(高粱、玉米、芒草×巨叶草、柳枝稷)。

他们发表在《美国国家科学院院刊》上的研究结果表明，C4作物比C3作物更能耐受高O3浓度。

美国农业部农业研究服务处(USDA-ARS)全球变化与光合作用研究负责人LisaAinsworth表示：“了解C4生物能源作物对空气污染物的耐受性将有助于我们在世界各地战略性地部署它们。”伊利诺伊大学植物生物学单位和兼职教授。

C3和C4作物都是全球粮食、生物能源和乙醇生产的主要来源。C3和C4植物之间的区别在于它们在光合作用过程中使用的碳固定途径：C3植物将CO2和阳光转化为3碳分子，而C4植物的第一个光合作用产物是4碳分子分子。

此外，C4光合作用途径始于构成叶子表面的叶肉细胞，然后进入植物深处的束鞘细胞。C3光合作用途径中不存在这种空间分离。历史上，科学家们假设C4植物对O3污染的敏感度低于C3植物，但直到本研究之前，这一假设尚未得到彻底研究。

“大小和生长季节长度的变化意味着很难在田间对C3和C4作物对臭氧的反应进行并排比较，”该论文的主要作者、博士后李帅说。在卡比。“这限制了C3和C4作物对O3敏感性的准确比较。”

通过综合过去20年露天田间实验中O3污染增加的作物的现有文献和未发表的数据，作者对O3对五种C3作物和四种作物生理和生产的影响进行了全面分析。C4作物。

“我们重点进行了田间实验，并量化了作物对O3污染特定增加的反应。这种新方法定量地表明，C3作物比C4作物对臭氧升高更敏感，”Li说。

这一结论背后的推理可能与C3和C4作物之间叶片解剖特征、气孔导度和/或代谢率的差异有关。在C3植物中，O3降解产生的活性氧会损害发生光合作用的叶肉细胞。

然而，在C4植物中，C4光合作用途径的空间分离有助于防止O3渗入制造糖的束鞘细胞。此外，C4作物通常比C3作物具有较低的气孔导度，可能导致C4作物吸收较少的O3。这些因素可能解释了C4植物对O3具有优异的耐受性。

“这项研究增强了我们对作物对O3升高的反应机制的理解，并强调了作物管理和O3耐受性改善的实际意义，”Li说。

世界许多地区的臭氧污染正在加剧。这项研究定量地表明，C3作物中O3引起的植物功能和生产力下降比C4作物更为严重，这可能是因为O3与C3和C4光合作用途径的相互作用不同。

基于这一发现，可以对污染环境中的农田进行管理，以提高整体绩效。C4作物，特别是生物能源原料，可以在O3高的地区保持生产力。

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