气候韧性作物：在不断变化的世界中培养韧性

气候变化对全球粮食安全构成了前所未有的挑战。气温上升、降水模式改变以及干旱和热浪等极端天气事件频率增加，正在严重影响全球范围内的作物产量和农业生产力。为应对这些挑战，气候韧性作物，特别是那些表现出耐旱和耐热特性的作物的开发和广泛应用正变得越来越关键。这篇博文探讨了这些作物的重要性、推动其发展的科学进步，以及旨在确保子孙后代可持续粮食供应的全球努力。

对气候韧性作物的迫切需求

农业极易受到气候变化的影响。水资源短缺、热胁迫和生长季节的变化，威胁着小麦、水稻、玉米和大豆等主要作物的生产力。这些脆弱性具有深远的影响，包括：

• 作物产量下降： 干旱和热浪会大幅降低作物产量，导致粮食短缺和价格波动。
• 粮食不安全加剧： 气候变化对弱势群体造成的影响尤为严重，加剧了已经在与营养不良作斗争地区的粮食不安全状况。
• 经济影响： 作物歉收可能摧毁农业经济，影响生计和区域稳定。
• 环境退化： 为应对干旱而进行的密集灌溉会耗尽水资源并导致土地退化。

因此，开发能够抵御这些胁迫的作物对于减轻气候变化对粮食生产的负面影响至关重要。

理解耐旱性和耐热性

耐旱性和耐热性是受多个基因控制的复杂性状。植物采用各种机制在这些胁迫条件下生存和繁衍：

耐旱机制：

• 干旱逃避： 某些植物在严重干旱来临前完成其生命周期。这种策略通常涉及提早开花和快速成熟。
• 干旱规避： 这些植物最大限度地减少水分流失。例如：
• 深而广的根系以获取更深层的水源。
• 高效用水，例如通过气孔控制减少蒸腾作用。
• 叶片修饰，如更厚的角质层或减小的叶表面积，以最大限度地减少水分流失。
• 干旱耐受（脱水耐受）： 这些植物能够承受细胞脱水。机制包括：
• 渗透保护剂（例如脯氨酸、甘氨酸甜菜碱）的积累以维持细胞膨压。
• 保护性蛋白质（例如热休克蛋白）的产生以稳定细胞结构。

耐热机制：

• 热休克蛋白（HSPs）： 这些蛋白质保护细胞结构免受热诱导的损伤。
• 抗氧化系统： 热胁迫会导致活性氧（ROS）的产生，从而损害细胞细胞。抗氧化酶和化合物可以中和这些有害分子。
• 膜稳定性： 在高温下保持膜完整性至关重要。具有更稳定膜脂的植物表现出更大的耐热性。

气候韧性育种策略

开发气候韧性作物涉及传统育种方法和先进技术的结合：

传统育种：

这涉及在多代中选择和杂交具有理想性状的植物。关键步骤包括：

• 表型鉴定： 在受控或田间条件下评估植物的耐旱和耐热性。这可以包括测量胁迫下的产量、水分利用效率和叶片温度等性状。
• 选择： 识别并选择在胁迫下表现优异的植物。
• 杂交： 将选定的植物进行杂交以结合理想性状。
• 回交： 将子代与亲本植物杂交以改进特定性状。

现代育种技术：

先进技术正在加速气候韧性作物的开发：

• 标记辅助选择（MAS）： 该技术利用与理想基因相关的DNA标记，更有效地识别具有这些基因的植物。
• 基因组选择（GS）： GS利用基因组数据预测育种系的性能。这提高了选择的准确性和效率。
• 基因工程（GE）： GE涉及直接修饰植物基因以增强性状。例子包括从其他生物体引入耐旱或耐热基因。
• 基因组编辑： CRISPR-Cas9等技术允许以比传统基因工程更高的效率和准确性对植物基因进行精确修改。

气候韧性作物实践案例

世界各地有许多倡议正在开发和部署气候韧性作物：

耐旱玉米

研究人员和育种家在开发耐旱玉米品种方面取得了显著进展。例如，多家种子公司提供耐旱玉米杂交种，即使在缺水条件下也能保持可接受的产量。这些品种在撒哈拉以南非洲等地区尤为重要，那里玉米是主要作物，水资源短缺是一个重大挑战。

耐热水稻

水稻是数十亿人的重要食物来源。开发耐热水稻品种对于确保在气温上升下的产量至关重要。科学家们正在识别耐热基因并将其整合到水稻品种中。例如，国际水稻研究所（IRRI）和各国农业研究系统正在开发适合不同生长环境的耐热水稻品种，包括南亚和东南亚。这些品种的开发和推广极大地帮助了水稻种植至关重要的地区。

耐旱小麦

小麦是另一种易受干旱影响的重要谷类作物。育种项目正致力于开发能够抵御水资源短缺的小麦品种。这些努力包括识别具有优异耐旱性状的小麦地方品种，并采用标记辅助选择来加速育种过程。具有增加根深和高效水分利用的品种正在部署，尤其是在澳大利亚、美国和印度等小麦生产面临严重水资源胁迫的地区。

其他作物

• 豆类（豌豆、小扁豆、鹰嘴豆）： 正在开发耐旱豆类，以改善粮食安全并在可持续农业系统中提供固氮来源，特别是在气候干燥的地区。
• 高粱和小米： 这些作物本身比许多其他作物更耐旱，并且正通过育种项目进一步增强，为非洲和亚洲的干旱和半干旱地区提供关键的食物来源。
• 蔬菜和水果： 育种项目正致力于提高西红柿、辣椒和芒果等蔬菜和水果的韧性，以耐受热胁迫和不断变化的水源。

全球倡议和组织

多个国际组织和倡议在推动气候韧性作物的开发和传播方面发挥着关键作用：

• CGIAR（国际农业研究磋商组织）： 国际玉米和小麦改良中心（CIMMYT）和国际水稻研究所（IRRI）等CGIAR中心，开展研究和育种项目，致力于为发展中国家资源匮乏的农民开发气候韧性作物。
• 全球作物多样性信托基金： 该组织支持作物多样性的保护和可用性，这对于培育气候韧性作物至关重要。
• 国家农业研究系统（NARS）： 各国的NARS积极参与气候韧性作物的育种，并向农民提供推广服务。
• 国际种子公司： 许多种子公司投资于气候韧性作物的研发，使其在全球范围内可供农民使用。

挑战与未来方向

尽管取得了显著进展，但仍存在一些挑战：

• 性状的复杂性： 耐旱和耐热是受多个基因控制的复杂性状，这使得育种具有挑战性。
• 环境互动： 作物表现受基因与环境之间相互作用的影响，这使得在特定条件下预测作物行为变得困难。
• 监管障碍： 转基因作物的监管审批过程可能漫长且昂贵，这可能会减缓这些作物的可用性。
• 公平性和可及性： 确保小农户，特别是在发展中国家的农民能够获得气候韧性作物，对于实现粮食安全至关重要。

未来的研发工作应侧重于：

• 先进育种技术： 加快基因组选择、基因编辑及其他先进育种技术的应用，以加速育种进程。
• 理解植物与环境的相互作用： 增进我们对植物与其环境之间复杂相互作用的理解，以便更好地预测作物表现。
• 开发气候智能型农业策略： 将气候韧性作物融入更广泛的农业系统，以促进可持续土地管理、水资源保护和病虫害综合管理。
• 加强农民教育和推广服务： 向农民提供有效采用和利用气候韧性作物所需的知识和资源。

未来可行的见解

为确保气候韧性作物的成功，以下几项行动至关重要：

• 投资研发： 各国政府和私营组织必须投资研发，以开发和部署气候韧性作物。这包括资助育种项目、支持基础研究以及投资基础设施和技术。
• 促进国际合作： 国际合作对于分享知识、资源和育种材料至关重要。这包括支持合作研究项目、促进种质资源交流以及协调监管框架。
• 推广可持续农业实践： 气候韧性作物在融入促进土壤健康、水资源保护和病虫害综合管理的可持续农业系统时最为有效。
• 支持小农户： 向小农户提供气候韧性作物、培训和财政支持。这包括使种子和农业投入品易于获取，并提供推广服务以帮助农民采纳最佳实践。
• 提高公众意识： 对公众进行气候韧性作物重要性及其在确保粮食安全中作用的教育。这包括提高对这些作物益处的认识并消除误解。

结论

面对气候变化，气候韧性作物对于确保全球粮食安全至关重要。通过投资研发、促进国际合作、推广可持续农业实践、支持小农户以及提高公众意识，我们可以为子孙后代培养一个更具韧性和可持续性的粮食系统。耐旱耐热作物的开发和广泛应用，不仅仅是农业上的当务之急；它更是迈向建设一个更可持续、更公平世界的基本一步。