生物学家Steven Burgess在伊利诺伊大学的一个研究农场收集大豆植物的样本。

生物学家Steven Burgess在伊利诺伊大学的一个研究农场收集大豆植物的样本。克莱尔·本杰明/成熟的项目

从实验室到田间,农业都在努力适应全球变暖

随着气温上升,世界粮食供应面临风险,主要粮食作物的产量下降。研究人员和创新者正在寻找更有弹性的农作物和农场动物——从耐热的小麦到抗旱的水稻,再到能保持凉爽的裸颈鸡。

它可能会出现在你附近的一家面包店:由小麦制成的面包,其光合作用机制已被改造,以帮助它在更温暖的地球上茁壮成长。

尽管一些研究人员——其中一些是由比尔和梅林达·盖茨基金会资助的——正在争分争秒地培育这种新品种的小麦,但它不会很快到来。不断上升的气温已经对世界各地的麦田造成了损害。但是,一种新的耐热小麦将取代目前种植的小麦品种,这需要10年或更长时间。

“最大的全球变化,威胁粮食安全是高温,”唐纳德支持说,植物生物学和作物科学教授工作的伊利诺伊大学的一个项目叫做成熟,实现提高光合效率,提高粮食作物的光合作用,这也将帮助击败热火。

这个问题在全世界都能看到。例如,在2010年和2012年,由于炎热的天气和干旱,俄罗斯小麦种植者的产量急剧下降。

佛罗里达大学的研究员森托尔德·阿森(Senthold Asseng)说:“这导致了全国30%的粮食减产,这是非常大的降幅。”他指出,俄罗斯人通过减少出口来弥补这一缺口,但“如果你在印度或孟加拉国失去三分之一的产量,那将是一场巨大的灾难。”

一项研究表明,气温每升高一度,世界主要粮食作物的产量就会下降。

随着全球变暖的加剧,全球正在齐心协力帮助农业适应新的气候现实。专家说,最紧迫的适应行动涉及世界上的主要粮食作物——特别是小麦、水稻、玉米和大豆,它们提供了人类摄入的三分之二的热量。在一个研究去年发布的政府间气候变化专门委员会(IPCC)警告说,如果农业不发生根本的变化,世界将面临粮食不安全加剧的风险。

这不仅仅是关于食物。食物短缺是社会问题的一个重要驱动力。例如,从2007年到2010年的干旱被考虑在内主要因素之一导致了叙利亚内战。

一个2017年的研究包括Asseng在内的一组研究人员使用模型来预测这些主要作物在更高温度下的变化。研究表明,气温每升高一摄氏度,所有农作物的产量都会下降,导致玉米减产7%以上,小麦减产6%,大豆减产3%,大米减产3.2%。他说:“这意味着,在未来30或40年里,如果全球气温上升3摄氏度,仅气温就会使小麦减产15%到20%。”

气候变化带来的不仅仅是更高的温度。气候变暖会带来一系列的问题和好处,从降水过多到降水太少(气温每升高1摄氏度,大气中的水分就会增加7%);降水、洪水和侵蚀时间的变化;突然温度波动;土壤健康的变化;以及更多的野火,它们会影响种植、成熟和收获。更高的气温也意味着更多的害虫、疾病和杂草。一些研究表明,随着产量下降,大米和小麦等重要粮食作物在碳含量更高的环境中生长,蛋白质、铁和锌的含量也降低了。

在伊利诺斯大学的一个研究机构里,玉米从龟裂的土壤中发芽。

在伊利诺斯大学的一个研究机构里,玉米从龟裂的土壤中发芽。克莱尔·本杰明/成熟的项目

与此同时,对食物的需求正在上升,到2050年,随着全球人口从76亿飙升至近100亿,食物的需求可能会增加100%。随着世界从化石燃料转向生物燃料或生物塑料等植物材料,专家表示,这将需要农业产量增加30%。所有这些增加都必须在已经存在的农业用地上进行,这样亚马逊雨林或其他重要的自然区域就不需要被破坏。

小麦——地球上最大的粮食作物,提供全球20%的卡路里——正受到研究人员的广泛关注。提高产量和培育耐热小麦的主要方法之一是优化光合作用。英国兰卡斯特大学(Lancaster University)的首席研究员马丁·帕里(Martin Parry)说:“现在农作物将太阳光转化为植物生物量的比例低得惊人,大约只有0.5%到1%。”“我们只需要将这一比例翻倍,达到1%到2%,而这已经被科学证明是可能的。”

研究人员通过专注于Rubisco(核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶的首字母缩写)来做到这一点。这是一种古老的酶,有超过35亿年的历史,与植物一起进化而来。它将无机二氧化碳转化为有机碳。

但在20%的情况下,Rubisco会吸收氧气而不是二氧化碳,这就导致了一个被称为光呼吸的过程,这对植物来说是非常昂贵的,导致光合作用减少,产量减少。

绿色革命中不可或缺的水稻品种在一些地方逐渐被淘汰,取而代之的是本地品种。

Ort称Rubisco是地球上最重要的酶,因为它负责将阳光转化为植物组织,为世界提供养分。然而,Ort说:“它不是一种很好的酶。它是缓慢的。它会犯错。它是地球上最丰富的酶,原因是植物应对它不是一种很好的酶的方式是制造大量的它。”

伊利诺伊大学(University of Illinois)的成熟项目(mature program)、兰卡斯特大学(Lancaster University)和其他实验室的重点是侵入植物,以提高Rubisco的效率。“有更简单的方法可以做到,”Ort说。“这些完全是重新设计,试图绕过天然途径,用一个更简单、更有效的途径来取代它们”,不会影响光合作用。

即使重点是重新设计光合作用,专家说一个新的小麦品种至少需要10或12年的时间。

至少已经成功种植了一种能在高温下茁壮成长的小麦。来自瑞典农业科学大学和国际干旱地区农业研究中心的研究人员从古代和现代品种中培育出了一种小麦作物,可以在100度以上的温度下生长。它生长在西非的塞内加尔河流域。

水稻、大豆和其他农作物也将受益于重新设计的新的光合作用过程。大米是全球35亿人的食物来源,尤其容易受到伤害。它的产量不仅受到高温的影响,而且还需要可靠的水供应——它使用了世界上34%到43%的水用于灌溉——高温的影响还受到不规律的天气模式和含水层下降的影响。盐水入侵海平面上升也是一个严重的问题。

研究人员研究了一种种植在塞内加尔河流域的耐热硬粒小麦。

研究人员研究了一种种植在塞内加尔河流域的耐热硬粒小麦。菲利波·巴斯/伊卡尔达

一个最近的研究在《自然研究发现,气候变暖正在增加水稻中的砷含量,到2100年可能会减少近40%的产量。

为了应对气候紧急情况,在许多方面都作出了努力,包括开发抗旱、抗病和耐盐水的水稻品种。例如,IR8品种的水稻,在20世纪60年代的绿色革命中是不可或缺的,在一些地方被淘汰,取而代之的是更适合土壤和更抗病的本地品种。

一组美国研究人员正在测试中编辑水稻的基因组,以增加抗病能力或删除使植物敏感的基因。他们寻找一个工厂可能穷产量但具有良好的抗病性,然后删除耐药基因并将其设置为一个高收益的商业品种“基因组编辑允许我们去做,在速度和准确性,”亚当Bogdanove,康奈尔大学植物病理学教授说。

阿肯色州的研究人员发现,在过去40年里,夜间温度上升了5华氏度,这意味着植物在夜间流失了更多的水分。阿肯色州是美国大部分水稻作物的种植地。不断增加的热量也降低了光合作用,并阻碍了水稻自花授粉的能力。一些农民正在考虑向北迁移,以保持作物适宜的温度范围。

裸颈鸡原产自罗马尼亚,由于没有羽毛,需要自然调节。

还有其他一些方法可以让农业在面对高温时更加耐受性,比如改变作物生长的时间,或者采用能够帮助作物保持凉爽的农业方法。一个最近的研究自然例如,该研究发现,在热带地区的农场采用混合混合的作物和原生森林,而不是单一栽培,有助于保持农业景观的凉爽,同时也提供了更多的栖息地,促进生物多样性,尤其是鸟类。188金博网注册就送188

除了农作物,牲畜和其他食用动物也受到气候变化的影响。例如,鸡对热特别敏感。

一个更有趣的解决方案是裸颈鸡。这是一种奇怪的鸟,看起来好像它的羽毛从脖子的底部一直到头部都被拔了下来。虽然它缺乏美感,但在变化的气候中它的功能得到了弥补。

这些鸡原产于罗马尼亚,由于没有羽毛,它们不仅拥有自然空调,而且比其他鸟类有更大的肺和其他重要的生理特征,使它们能够适应更高的温度。“它们的腿也更长,”库克创业公司(Cooks Venture)的创始人马修·瓦迪亚克(Matthew Wadiak)说。这家公司在阿肯色州从事放养和销售这些鸟的业务。“如果你有一只直立的、离开地面的长腿鸟,它周围有更多的气流,它可以保持凉爽。”

克里奥罗牛,一种可以生活在干旱地区的品种,在新墨西哥州的一个联邦研究基地。

克里奥罗牛,一种可以生活在干旱地区的品种,在新墨西哥州的一个联邦研究基地。NMSU /美国农业部

牧场主和科学家们也在寻找能在更温暖的温度下茁壮成长的奶牛。有一种动物可以帮助美国西南部和其他干旱地区的牧场主适应气候变化raramuri混血儿奶牛——意思是“脚轻的”——代替了安格斯和赫里福德,这两个城市对风景的影响更大。

近年来,干旱一直困扰着美国西南部,一些研究人员表示,这可能是该地区的一种永久性现象。这对牧场造成了严重的破坏。的混血儿被征服者从西班牙带到北美后被释放,后来被塔拉乌马拉印第安人等人收养。在过去的四个世纪里,这些牛已经适应了墨西哥的干旱条件。

20年前,它们被从墨西哥奇瓦瓦州带到新墨西哥州拉斯克鲁斯附近的约纳达实验站。自那以后,它们被看到了好处的牧场主所采用,大自然保护协会(Nature Conservancy)正在犹他州峡谷地研究中心(Canyonlands Research Center)研究它们对这片土地的影响。

科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado Boulder)干旱土地生态学家、峡谷地研究中心(Canyonlands Research Center)顾问尼科尔·巴格(Nichole Barger)说:“这些牛能够承受高温和缺水。”“他们选择了更广泛的不同种类的植物,而不仅仅是那些因气候变化而数量减少的草类。”

当然,从长远来看,粮食安全最重要的解决方案是减少温室气体排放。IPCC食品和土地利用工作组的联合主席汉斯·奥托·波特纳说:“任何人都不可能说,‘哦,气候变化正在发生,我们将适应它。’”“适应的能力是有限的。”