长期以来，干旱胁迫一直是全球农作物生产的一个限制因素，气候变化加剧了这一挑战。一个多世纪以来，科学家们一直在研究一种关键植物性状：水分利用效率(WUE)，以帮助作物在更少的水分下生长，避免遭受干旱压力。更高的水分利用效率可以帮助植物避免干旱压力——但对大多数作物来说，水分充足时（提高水分利用效率）也与较低的生产力有关。

在《Journal of Experimental Botany》上发表的两项新研究中，高级生物能源和生物产品创新中心(CABBI)的研究人员利用基因工程，在不牺牲产量的情况下提高了气候友好型C4生物能源作物的用水效率，这是可持续生物经济发展的重大进步。CABBI是美国能源部(DOE)资助的生物能源研究中心。

在第一项研究中，CABBI团队能够通过减少叶片表面气孔或气孔的数量来减少高粱植物的水分流失，在不影响光合作用和生物量生产的情况下提高水分利用效率。研究人员将一种基因插入植物中，改变它们的发育模式，降低气孔密度。

研究人员在第二项研究中发现，甘蔗和其他C4作物气孔密度的降低的同时气孔会张开得更大。这抵消了水分利用率的一些预期改善。潜在机制尚不完全清楚，因此这一发现为设计更高效的植物提供了一个有价值的新目标。

在植物光合作用过程中，光能被捕获并用于将水和二氧化碳(CO2)转化为富含能量的有机化合物。水利用效率指的是相对于使用的水量，植物获得的光合作用碳的多少——或者更一般地说，是产生的生物量的多少。研究人员专注于叶片水平，测量通过气孔进出的水和二氧化碳的量。

在绝大多数植物中，以及绝大多数提高植物水分利用效率的努力中，科学家们面临着一个阻碍作物改进的权衡：提高它们的水分利用效率会降低它们的内在生产力、光合作用碳增益和生长速度。CABBI主任Andrew Leakey说：“因此，当植物没有足够的水时效率做得更好，但当植物有足够的水时做得更糟。从更广泛的农业角度来看，这是一个非常不受欢迎的权衡。”但是CABBI的目标生物能源作物：C4作物——包括高粱、甘蔗和芒草是不同的。它们有一种“储存版的光合作用”，在捕获二氧化碳之后将其浓缩在叶片内，“而大多数植物就像福特T型车，它们依靠自然吸气式发动机运行。”

“对于C4物种，我们认为可以得到免费的午餐：我们可以提高水的利用效率，而不必顾虑提高水的利用效率时植物长得好而降低合成效率。这是一种特殊情况，”CABBI主任Andrew Leakey说，他是这两项研究的团队负责人。

虽然C4作物只占所有植物种类的5%，但它们对粮食、燃料和纤维的农业生产越来越重要。包括甘蔗和芒草在内的新兴生物质作物在固碳的同时为制造生物产品提供了基础。在新的用水效率研究中，我们正在把已经具有优势的植物作为作物，然后有可能在不增加碳排放的情况下使它们变得更好。”

这些发现将有助于最大限度地提高生物能源原料的生产，帮助作物减轻供水不足的影响，并开辟植物研究的新途径。“这为新的科学发现和工程策略提供了一个令人兴奋的机会，”CABBI博士后研究员，IGB植物生物学和伊利诺伊州数字农业中心的Daniel Lunn 说，他是甘蔗研究的主要作者。

该团队正在更多CABBI植物物种中探索这种工程方法，并对设计进行微调。CABBI原料生产团队的其他研究人员对芒草进行了开创性的研究，对芒草基因组进行了测序，并开发了第一个基因编辑技术，这将“使我们能够在一种非常重要的、新兴的、能够吸收大量碳的多年生原料作物上实施这种工程策略。”“克服作物生产的水资源限制，对于实现我们的使命，即支持一个有利可图、可持续和有弹性的生物经济，确实非常重要。”

叶子、根和其他植物特征已经进化到可以处理光合作用中碳增益和水分损失之间的基本权衡，这对在没有灌溉的情况下作物可以生长的地方有重要影响。开发需水量减少10%到20%的农作物，可以将美国的雨养农业区进一步向西扩展，并使目前种植区的农民即使在降雨不足的年份也能保持有利可图的收成——在气候变化的影响下，降雨不足是一个更频繁的威胁。“我们在这里要做的部分工作是在供水不足的时候和地方保持提高的生产力。”