干旱胁迫长期以来一直是全球农作物生产的限制因素，而气候变化加剧了这一挑战。一个多世纪以来，科学家一直致力于研究植物的一个关键特性，即水分利用效率(WUE)，以帮助农作物在较少的水分下生长，避免遭受干旱胁迫。较高的WUE可以帮助植物避免干旱胁迫，但对于大多数农作物而言，当水分充足时，它也会导致产量降低。

在《实验植物学杂志》上发表的一对研究中，先进生物能源和生物产品创新中心(CABBI)的研究人员利用基因工程来提高气候友好型C4生物能源作物的WUE，同时不牺牲产量，这对于可持续生物经济发展来说是一个重大进步。

在第一项研究中，CABBI团队通过减少叶片表面的气孔数量，减少了高粱植物流失的水量，从而提高了水分利用效率，同时又不限制光合作用和生物量生产。研究人员将一种基因插入植物中，改变了植物的发育模式，降低了气孔密度。

“我们认为，有了C4物种，我们就可以享受免费午餐。我们可以提高用水效率，而不必在植物获得足够水时牺牲其生长质量。这是一个特殊情况，”CABBI主任、两项研究的团队负责人安德鲁·利基(AndrewLeakey)说道。

第二项研究的研究人员发现，甘蔗和其他C4作物气孔密度的降低与气孔张开的扩大是一致的。这抵消了预期的WUE改善。

这种反应的潜在机制尚未完全了解，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。

伊利诺伊大学香槟分校植物生物学和作物科学系及CarlR.Woese基因组生物学研究所(IGB)的MichaelAiken主席兼教授Leakey表示，这些发现将有助于最大程度地提高生物能源原料的产量，帮助农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，”CABBI博士后研究员、IGB植物生物学教授兼伊利诺伊州数字农业中心的DanielLunn说道，他是这项甘蔗研究的主要作者。

这项研究的主要CABBI合作者包括原料生产联合PITomClemente、内布拉斯加大学EugeneW.Price生物技术杰出教授和佛罗里达大学农学教授FredyAltpeter。高粱论文的主要作者是IGB前博士后研究员JohnFerguson。

在植物的光合作用过程中，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。

水分利用效率是指植物光合作用碳的产量(或更一般地说，是相对于其用水量而言的生物质产量)。在这些研究中，研究人员专注于叶片水平，测量通过气孔进出的水分和二氧化碳的量。

在绝大多数植物中，以及在提高植物水分利用效率的绝大多数努力中，科学家面临着阻碍作物改良的权衡：提高作物的用水效率会降低作物固有的生产力、光合碳增益和生长率。“因此，当它们没有足够的水时，它们会表现得更好，但当它们有足够的水时，它们的表现会更差。从更广泛的农业角度来看，这是一种非常不受欢迎的权衡，”利基说。

CABBI主任AndrewLeakey(右)和博士后研究员DanielLunn在伊利诺伊大学香槟分校的CABBI温室中与甘蔗、芒草和高粱植物合影。图片来源：先进生物能源和生物产品创新中心(CABBI)

但C4作物(包括高粱、甘蔗和芒草，CABBI的目标生物能源作物)的结构不同。它们具有“燃料喷射版的光合作用”，可将二氧化碳浓缩在叶子内部，然后捕获它，“而大多数植物就像福特T型车，它们使用自然吸气发动机，”利基说。

尽管C4作物仅占所有植物种类的5%，但它们对农业生产食品、燃料和纤维的重要性日益凸显。它们是新兴生物质作物(包括藤本植物和芒草)的重要代表，它们在封存碳的同时，还为制造生物产品提供了基础。

通过新的WUE研究，“我们可以利用已经具有农作物优势的植物，进一步提高其产量，并且不会对碳吸收产生任何拖累”，Leakey说道。

该团队正在更多CABBI植物物种中探索这种工程方法，并对设计进行微调。CABBI原料生产团队的其他研究人员对芒草进行了开创性的工作——对芒草基因组进行测序并开发第一种基因编辑技术——将“使我们能够在一种非常重要的、能够封存大量碳的新兴多年生原料作物中实施这种工程策略，”Leakey说。

他补充道：“克服水资源对农作物生产的限制对于我们实现建立盈利、可持续和有弹性的生物经济的使命至关重要。”

利基说，叶子、根和其他植物特征已经进化到可以处理光合作用中碳增益和水分损失之间的基本权衡，而这些过程对于农作物在没有灌溉的情况下可以在何处生长有着至关重要的影响。

种植需水量减少10%到20%的作物可以将美国雨养农业区进一步向西扩展，并使当前种植区的农民即使在降雨不足的年份也能维持丰收——降雨不足是气候变化下更常见的威胁。

利基说：“我们在这里所做的工作之一就是在供水不足的时候和地方保持较高的生产力。”

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