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新電腦模型更好地預測作物產量與氣候變化效應

來源 : 亞洲健康互聯海外中心
update : 2019/07/10
一種新的電腦模型將葉子上微小的嘴狀毛孔(如圖)如何響應光線具體化。這一進步可以幫助科學家創建虛擬植物,以預測更高的溫度和不斷上升的二氧化碳,如何影響糧食作物。圖片來源:Johannes Kromdijk

一種新的電腦模型將葉片上的微孔如何響應光線具體化。這一進步可以幫助科學家創造虛擬植物,以預測更高的溫度和不斷上升的二氧化碳水平,將如何影響糧食作物。此項研究發表在7月份的《光合作用研究》期刊。

該研究主要領導人Johannes Kromdijk說道:「這是一個令人興奮的新電腦模型,它可以幫助我們在各種條件下做出更準確的預測」。這項研究是一項名為 實現提高光合效率(RIPE國際研究項目的一部分。該項目旨在實現提高光合效率(RIPE),以更有效地將太陽能轉化為食物,從而可持續地提高全球糧食生產力。

由伊利諾伊大學領導的RIPE透過改善光合作用,來提高作物的工作效率而不使用更多的水,這是所有植物將太陽光轉化為能量以促進生長和作物產量的自然過程。RIPE得到比爾與梅林達蓋茨基金會、美國食品與農業研究基金會(FFAR),以及英國政府國際發展部(DFID)的支持。

RIPE目前的工作重點,是模擬葉子中微觀孔隙,如何響應光線、開放以允許水、二氧化碳和氧氣進入和離開的所謂氣孔的行為。在2018年,RIPE團隊在Nature Communications期刊上發表了一篇論文,其中顯示增加一種特定蛋白質,可以促使植物部分地關閉其氣孔到光合作用未受影響的程度,但水分流失顯著減少。該研究的實驗數據,用於創建今天推出的新改進的氣孔模型。

伊利諾伊大學研究人員Stephen Long 說道:「我們已經知道幾十年來光合作用和氣孔開放緊密協調,只是對於它如何工作一直不確定。透過這種新的電腦模型,我們有了一個更好的工具,來具體化響應光線的氣孔運動。」

Long說,最終目標是找出控制這些氣孔守門人製造耐旱作物的機會。「現在我們正在關注缺失的環節,那就是,光合作用如何告訴氣孔什麼時候該打開。」

電腦模擬是作物育種的重大進步。現代遺傳學之父Gregor Mendel發現,豌豆植物透過在八年內種植和繁殖10,000多種豌豆植物,而繼承了其遺傳特徵。今天,植物科學家可以使用這些模擬植物生長的複雜電腦模型,在幾秒鐘內種植數千種作物。

氣孔模型與光合作用模型一起使用,從未來的作物產量到作物管理進行廣泛的預測,例如缺水時作物的響應方式。此外,這些模型可以讓科學家預覽小麥、玉米或大米等作物如何受到二氧化碳含量上升,和溫度升高的影響。

現任劍橋大學講師的Kromdijk說:「先前版本的氣孔模型使用關係,與我們目前對氣孔運動的理解不一致,我們發現我們的新版本只需更少的調整,就能做出高度準確的預測。」

儘管如此,仍有許多工作要做,以表明這種修改後的模型在各式各樣的應用中發揮作用,並進一步鞏固氣孔與光合作用之間的關係。

RIPE成員,現在是內布拉斯加大學林肯分校助理教授Katarzyna Glowacka說:「 我們必須證明這種模式適用於各種物種和地點。大規模模擬模型將大氣湍流、光攔截、土壤水可用性等模型串聯在一起, 因此我們必須讓幾個研究團體相信,這是一項值得進行的改進。」