2016年7月12日
（图为对生长40天的拟南芥进行的热分析图谱，图谱用假彩色表现了植株不同生长状态下叶片温度的差异。耗水较少的植株在图谱上显现为绿色和黄色。图片来源：德国慕尼黑理工大学，Z. Yang以及E. Grill。）
对于人类未来发展而言，粮食需求量的增大和有限的可用水资源无疑是亟待解决的巨大挑战。然而目前，我们对水资源的使用方式并非可持续之道，其中植物光合作用过程中通过叶片丧失的水分就是全球种植业低效用水的一个限制性因素。日前，来自慕尼黑理工大学（TUM）的科学家们正在着手解决这一难题，他们现在已经可以在不影响植物正常生长的情况下更高效地利用水分。正是植物本身所具有的节水机制，才让它们在吸收二氧化碳的过程中尽可能使失水量降低。
研究表明，在可用水不足的情况下植物可以启动这一节水模式。来自TUM的科学家已成功确定了相关的启动信号，并可以永久性的使节水模式处于开启状态。现阶段，农业用水量占据了全球耗水量的70%，俨然成为用水大户，而该研究的成功有望使状况得到缓解。一部分的农业用水来自于对地下水的抽取，这种不可持续性的取水方式正在使地下水水位不断下降；此外，每年还有净50立方英里的水量——相当于尼亚加拉瀑布年冲刷水量的3倍——从陆地流入大海，这也造成了约30%海平面的抬升。根据全球农业报告（Global Agriculture Report）给出的数据，相比于50年前，人类现阶段对水的需求量高出了3倍之多，据此推算，到了2050年农业用水会比现在增加5%。
研究表明，经由地表进入大气的水分中有将近80%的部分并非通过蒸发途经散失，而是由植物叶片的蒸腾作用所主导。那么，如何为作物种植提供更高效的水分使用将成为未来农业及粮食安全的核心课题。
植物是如何调控气体交换的？
植物通过叶片表面的气孔进行二氧化碳和水蒸气的互换，当气孔关闭时便可减少水分的流失，但不可避免的会降低二氧化碳的吸收量。通常由于空气温度和湿度的差异，植物在交换大气中的二氧化碳时会损耗500-1000个不等的水分子。然而当水分不足时，植物却可以降低自身内部的二氧化碳浓度，以此完成更有效的气体交换。
来自TUM的植物学教授Erwin Grill介绍说：“在吸收二氧化碳的过程中，植物完全有能力把水分的流失量减少一半，但是这种机制只有在水分供应及其短缺时才会启动。”对于种植作物而言，如果植物可以永远使这一节水机制处于启动状态，那么假使未来会碰到干旱天气，贮藏在地下的水分也能够保证它们的存活甚至是生长。
植物激素激活节水模式
TUM的研究团队发现，一种被称为脱落酸（ABA）的植物激素控制了节水模式是否启动，这种激素可以在水分供应不足时大量产生。通过对模式植物拟南芥（也称鼠耳芥）的试验，研究者发现了14种能够感知脱落酸激素信号的受体物质。此外，在水分供应充足的情况下，他们通过激素调控发现其中的部分受体可以启动节水模式。值得注意的是只有3个受体可以在不影响植物正常生长的情况下启动节水机制，其节水的效率高达40%。
模拟大田条件是否可以获得相似的节水效果
相关研究论文的共同作者，TUM草业研究教授Hans Schnyder说到：“在野外大田环境中是否可以取得与试验室一致的节水效果将是我们下一步的研究重点。”研究者们在德国慕尼黑亥姆霍兹环境健康研究中心（Helmholtz Zentrum München, German Research Center for Environmental Health）植物培养室所进行的首次田间模拟实验已经获得了一致的效果。
Grill教授表示：“至于小麦、玉米以及水稻这些大宗作物是否能够在节水模式下获得更大的产量仍然有待实验验证，但我们对此相当乐观。因为所有的植物都具有相关的节水机制，既然它在拟南芥身上成功运用，那么就极有可能在其他植物身上成功复制。这对于未来的粮食安全问题无疑是及其重要的进步。”
期刊来源：美国国家科学院院刊
资料提供：慕尼黑理工大学
翻 译：冼 妍
校 审：颜 磊
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