伊利诺伊大学香槟分校作物科学和植物生物学教授斯蒂芬·朗在《皇家学会学报B》发表评论文章，介绍了为应对气候变化下养活世界难题而开展的研究工作，这些研究对于保障未来粮食安全至关重要。

朗教授数十年来专注光合作用过程研究并寻求改进方法，他在文章中指出，气温升高、干旱更频繁且持续时间更长、灾难性降雨事件增多以及大气中二氧化碳浓度上升等气候变化因素，正严重影响农作物的生长、发育和繁殖能力。尽管部分植物和地区可能从气候变化某些方面受益，但若不进行长期且昂贵的干预，更多植物和地区将面临潜在灾难性衰退。

“到2050 - 60年，农作物将面临与现在截然不同的环境。”朗教授表示，大气中二氧化碳浓度从工业化前约百万分之200，到2024年已达427ppm，预计2050年将升至600ppm。极端高温、干旱、洪水等气候相关事件已扰乱农业系统，预计极端气温和气候不稳定将进一步降低农作物产量，加剧饥荒、政治动荡和大规模移民。

不过，希望依然存在。朗教授认为，或许可通过改变作物方式，使其在面临挑战时存活甚至提高产量，相关工作已开启。例如，研究人员正评估不同作物品种的耐热、耐旱和耐涝能力，以识别潜在有益品种，并发现赋予这些益处的遗传特性，进而通过植物育种或基因工程培育出更能抵御极端气候的作物。

经过研究，科学家发现一些水稻品种在强洪涝时期能存活长达两周，部分品种更耐热，这为培育更耐寒品种提供了机会。随着气温升高，植物面临一系列挑战，大气干燥能力增强会通过植物叶片气孔吸收水分，降低植物水分利用效率，加剧水资源紧张。植物部分关闭气孔虽能保持水分，但会影响二氧化碳吸收，进而影响光合作用。

在实验室和实地试验中，研究人员发现增加植物中传感蛋白基因表达可减少气孔水分流失且不干扰光合作用。结果显示，田间烟草叶片水分利用效率提高15%，整株植物用水量减少30%。由于烟草基因改造速度快，常被用作研究其他多种植物基因改造的“试验台”。此外，研究人员还找到降低水稻和小麦叶片气孔密度的方法，在不降低产量情况下将水分利用效率提高15 - 20%。

高浓度二氧化碳本身会改变植物生理机能，既有有益影响也有有害影响。科学家发现，在高浓度二氧化碳存在时，调节关键光合酶(rubisco)的蛋白质水平可提高光合效率。

朗教授以玉米研究为例说明粮食作物可能带来的好处。1980年至2024年间，美国玉米产量翻番，而高粱产量仅增长12%，玉米种植成功得益于大型跨国公司巨额投资，公共领域尚未进行同样投资。他强调，若没有类似投资，很难想象未来农作物种植机遇能以必要规模实现。

更多信息： 面向未来的作物需求与机遇，以及利用作物系统缓解大气变化，《皇家学会哲学学报 B 生物科学》(2025)。