一项新的计算机模型结合了叶子上的微孔可以如何开启以响应光线 - 这一进展可以帮助科学家创建虚拟植物来预测更高的温度和不断上升的二氧化碳水平将如何影响粮食作物。特别是2019年7月出版的光合作用研究期刊。

“这是一个令人兴奋的新计算机模型，它可以帮助我们在各种条件下做出更准确的预测，”Johannes Kromdijk说道，他领导这项工作是一项名为“实现提高光合效率(RIPE)”的国际研究项目的一部分。

由伊利诺伊大学领导的RIPE正在通过改善光合作用来提高作物的工作效率而不使用更多的水，这是所有植物利用的自然过程将太阳光转化为能量以促进生长和作物产量。RIPE得到比尔和梅林达盖茨基金会，美国食品和农业研究基金会(FFAR)以及英国政府国际发展部(DFID)的支持。

目前的工作重点是模拟所谓的气孔的行为 - 叶子中的微观孔隙，响应光线，开放以允许水，二氧化碳和氧气进入和离开植物。在2018年，RIPE团队在Nature Communications上发表了一篇论文，其中显示增加一种特定蛋白质可以促使植物部分地关闭其气孔 - 到光合作用未受影响的程度，但水分流失显着减少。本研究的实验数据用于创建今天推出的新改进的气孔模型。

“几十年来我们已经知道光合作用和气孔开放是紧密协调的，但它的工作方式仍然不确定，”伊利诺伊大学作物科学和植物生物学Ikenberry Endowed大学主席Stephen Long说。“通过这种新的计算机模型，我们有了一个更好的工具来计算响应光线的气孔运动。”

Long说，最终目标是找出控制这些气孔守门人制造耐旱作物的机会。“现在我们正在关注缺失的环节：光合作用如何告诉气孔什么时候打开。”

计算机模拟是作物育种的重大进步。现代遗传学之父格雷戈尔·孟德尔(Gregor Mendel)发现了他的突破性发现，即豌豆植物通过在八年内种植和繁殖超过10,000种豌豆植物而从父母那里继承了这些特征。今天，植物科学家可以使用这些模拟植物生长的复杂计算机模型在几秒钟内种植数千种作物。

气孔模型与光合作用模型一起使用，从未来的作物产量到作物管理进行广泛的预测，例如当缺水时作物的响应方式。此外，这些模型可以让科学家预览小麦，玉米或大米等作物如何受到二氧化碳含量上升和温度升高的影响。

“先前版本的气孔模型使用的关系与我们目前对气孔运动的理解不一致，”现任剑桥大学大学讲师的Kromdijk说。“我们发现我们的新版本需要更少的调整才能做出高度准确的预测。”

尽管如此，仍有许多工作要做，以表明这种修改后的模型在各种各样的应用中起作用，并进一步巩固气孔与光合作用之间的关系。

“我们必须证明这种模式适用于各种物种和地点，”前RIPE成员Katarzyna Glowacka说，他现在是内布拉斯加大学林肯分校的助理教授。“大规模模拟模型将大气湍流，光拦截，土壤水可用性等模型串联在一起 - 因此我们必须让几个研究团体相信这是一项值得进行的改进。”