叶片蒸腾效率的影响因素:叶片对闭合刺激的响应(RCS)和气孔密度(SD)。来源:《新植物学家》(2024)
干旱是全世界农民面临的最具破坏性的环境压力。随着气候变化的压力增加，干旱年份变得更难以预测、更频繁、更严重。
因此，水不仅是生产足够的粮食来养活全球人口(预计到2050年将达到97亿人)的基础，而且我们还需要用更少的水来提高作物产量。
可持续农业的关键可能在于小麦和大麦等重要作物的野生近缘种的遗产。这些未被开发的基因宝藏包含了在恶劣环境下几代人的自然选择形成的压力耐受机制。
长期以来，研究人员一直认为野生亲缘关系是基因研究中压力耐受性的来源，但这些发现大多是偶然发现或罕见的。
由于商品作物品种与野生近缘种在结构和生理上存在诸多差异，传统的筛选方法不足以对野生作物进行鉴定、分析并将其纳入育种计划。
我们的研究发表在《新植物学家》上，建立了一种系统的方法，使用高通量和非侵入性成像技术来确定哪些野生品系具有有利于作物改良的特征，应该考虑进行育种，而不是偶然发现。
透过肉眼看
直到最近，在大型田间试验中确定作物性能的最佳方法是种植不同的作物品系，并根据它们的外观和产量对它们进行评估。
但是野生亲缘种往往会在完全成熟时掉落种子，因此很难通过产量来判断它们，因此育种者在使用它们之前通常会三思而行。
创新的遥感技术正在改变我们描述作物性能的方式。这就像超越肉眼所能捕捉到的东西，探测到植物从阳光反射或以荧光或热的形式发出的许多光波的信号。
作为辐射的一种形式，热量以人类看不到的波长发射，但可以用热探测器测量。
反射的阳光提供了大量关于植物光合作用效率的信息;利用阳光、二氧化碳和水以糖的形式产生氧气和能量。这可以使用高光谱成像传感器精确测量，高光谱成像传感器收集和处理来自数百或数千个狭窄光谱带的电磁频谱信息。
虽然利用遥感技术研究植物性状已经很流行了，但我们通过深入研究作物利用水分的效率，并将这些信息与高光谱和热成像技术相结合，来促进它的发展。
了解古代作物用来应对温度波动的机制将有助于我们发现植物育种的未开发机会，并使我们的研究更有针对性。
最终的目标是从适应环境的野生品系中开发新的商业品种，通过克服目前确定哪些野生品系具有未开发的干旱适应特性的障碍，为可持续农业开辟一条道路。
这通常很难确定，因为理想的性状可能因育种目标和栽培地点而异。
用同一根吸管呼吸和喝水
植物通过一个被称为蒸腾的过程失去水分，这个过程通过气孔发生，同样的通道允许二氧化碳进入叶片表面。
使用相同的入口和出口意味着在节约用水和通过光合作用获得足够的碳以生产健康谷物之间存在不可避免的权衡。
因此，我们的筛选技术包含了这种权衡，即寻找能够忍受长时间缺水的植物，但一旦补水就能恢复健康生长。
就像在《沙丘》中，人们已经适应了非常干燥的环境，沙漠环境中的植物也发展出了自己应对干燥环境的方式。
如果我们把人类出汗看作是植物的蒸腾作用，那么很好地适应干旱条件的植物已经发展出多种机制，使它们在干旱时“出汗”少、节水，但仍然压力小、健康。
我们利用高光谱和热遥感技术收集的数据创建了一个基于图像的蒸腾效率(iTE)指数，这是一个相对容易解释的植物育种参数。
利用信息技术，我们可以确定适应性良好的品种，这些品种在干旱条件下能够有效利用水分，并且仍然能够保持恢复生长的能力。
一石二鸟
虽然我们开发iTE时考虑的是野生种群，但它的应用也可以扩展到栽培的商业作物。
从单纯关注产量表现的传统选择方法转变为iTE指数可以与经典的耐受性测量相结合，从而对最佳野生品系做出更全面和明智的决定。
在与西班牙可持续农业研究所(IAS-CSIC)的合作中，我们发现在干旱条件下，相对于良好灌溉的对照，iTE的积极变化与商品小麦品种的产量稳定性之间存在很强的联系;增产越大，产量损失越小。
产量稳定性指的是一种作物在干旱条件下与正常丰水条件下保持其粮食产量的能力。但是有很多原因可以解释为什么有些作物在干旱情况下能更好地生长。
例如，正如我们的研究表明的那样，一些植物可能会有效地进行光合作用，而另一些植物可能有更深的根系，可以接触到地表以下的水。
后者可能在热图像中显示为较冷的冠层，因为它们能够吸收更多的水，使植物保持蒸腾，并降低温度。
很难从田间试验中确认这种蒸腾作用是由于深根，还是这些植物只是在不考虑缺水的情况下保持气孔(气孔)开放。我们的研究打破了这种复杂性，以准确地了解作物是如何实现产量稳定的。
通过了解植物在季末保持产量的具体方式，我们可以更有效地利用潜在的基因。
未来的作物
一旦我们确定了有希望的野生品种，下一步将是通过一个被称为“重新驯化”的过程对它们进行改造，以适应标准的农业实践。
这种方法加速了人类几千年来选择和培育更好作物的过程。我们不需要等待一代又一代，而是使用先进的育种技术，快速地将驯化作物中常见的优良性状直接添加到野生的、耐胁迫的植物中。
这些非转基因育种改造产生的作物使用标准管理方法更容易种植。
通过使用高光谱遥感技术来识别良好的候选野生品系，并重新驯化，使它们易于获得，并为种植者所需要，我们可以彻底改变作物发展，使植物适应不断变化的气候，以满足日益增长的全球粮食需求。
