以旱生植物（xerophytes）為師：如何開發能適應氣候變化的農作物

 

我們是否能以含生草為師，培育出更能適應
當前氣候的農作物？圖片來源：ChatGPT

隨著氣候變遷的影響逐漸增強，乾旱和土壤鹽分問題變得日益嚴重。這對未來的糧食安全和永續農業構成了嚴峻挑戰。要應對這些挑戰，需要培育出更具氣候適應性的作物。如何開發能適應氣候變化的農作物，特別是如何應對乾旱和土壤鹽分這兩個問題，是當前農業的大挑戰。在最近出版的《植物半月刊》（Plant Journal）中，作者們點出了一些可能的解答。

長期以來，人類在作物馴化過程中主要關注產量，例如穀物的顆粒、果實的大小和形狀等。這種單一的選擇導致了現代作物基因多樣性的降低，以及與其野生親緣作物相比，對環境壓力的耐受性下降。這使得它們在適應當下劇變的環境產生了困難。

過去的作物育種過程中，為了提高對鹽分壓力的耐受性，常常選擇那些能排除鈉離子的品種。然而，這種方法可能無意中降低了作物的乾旱耐受性。研究顯示，我們應該重新考慮育種策略，以發展既能耐鹽又能耐旱的作物品種。當然，我們可以嘗試著恢復作物的耐逆性。恢復耐逆性的策略包括重新馴化已經具有耐受性的孤立作物或野生植物，或將野生植物中對抗逆境關鍵的基因重新引入到高產量作物中。許多野生植物品種擁有現代作物所缺乏的耐逆性基因。通過將這些基因重新引入高產量的作物中，可以提高作物對環境壓力的耐受性。另外，也可以開發耐逆品種、利用分子或傳統育種方法、以及通過農業手段，如植物生長調節劑的應用或種子催芽來減少逆境壓力的影響。

乾旱耐受性是一種涉及多種生理、解剖和生化機制的複雜特性。目前沒有作物具有真正意義上的脫水耐受能力，這種能力僅限於少數能夠在幾乎完全乾燥狀態下生存數月並在重新水合後迅速恢復正常生理活動的「復活植物」。研究發現，自然耐旱的植物（稱為旱生植物）和耐鹽的植物在某些關鍵基因家族中擁有更多的基因副本。這些基因與植物的滲透調節、離層酸（ABA）感應和信號傳遞以及氣孔發育等關鍵特性相關。例如，這些植物在應對鹽分和乾旱壓力時，會更多地依賴鈉來進行滲透調節，並且具有較少且反應更快的氣孔等。復活植物能在幾乎完全脫水的狀態下生存，並在重新水合後快速恢復生長。這些植物在脫水和重新水合過程中會經歷一系列複雜的生理和生化改變。雖然將這些特性引入農作物具有巨大吸引力，但在可預見的未來，將這些特性轉移到作物上仍面臨著實際操作上的挑戰。 近幾十年來，人們嘗試通過改變根系結構來提高作物的乾旱耐受性，例如減少根部角度和增加根長。這種策略的理念是具有較長根系的植物能夠從較深的水層吸水。乾旱和鹽分壓力都會減少植物可用水量並對植物造成滲透壓力。有效感知和處理這些壓力的信息是植物適應機制中的關鍵元素。根部到地上部分的系統性信號傳遞對於這兩個器官的適應性反應的協調至關重要。

植物在乾旱和鹽分壓力下會產生ABA，這會引起氣孔關閉並減少蒸散作用。ABA水平在根部和葉片中會按時間嚴格調節，這表明根部感受到滲透壓力後產生的ABA會通過蒸散流傳輸到地上部，促使氣孔關閉。

除了基因育種之外，農業上還可以通過使用植物生長調節劑來減少環境壓力對植物生長和產量的影響。這包括種子催芽技術，可以提高種子在逆境下的發芽和生長能力。

總之，這篇論文探討了氣候變遷對農業生產的影響，並提出了如何通過基因育種和農業技術來開發更具氣候適應性的作物品種。這對於提高未來農作物的耐旱和耐鹽性，確保糧食安全具有重要意義。

參考文獻：

The Plant Journal. Climate-resilient crops: Lessons from xerophytes. https://doi.org/10.1111/tpj.16549