新研究表明C4作物对臭氧污染的敏感度低于C3作物

对流层中的臭氧 (O 3 ) 对作物生长和发育产生负面影响，导致全球作物产量大幅下降。这种空气污染物并非直接来自囱或车辆，而是其他污染物(主要是氮氧化物和挥发性有机化合物)在阳光下发生反应时形成的。在污染日益严重的大气中，了解哪些植物能够耐受 O 3对于提高作物生产力和恢复力至关重要。

在先进生物能源和生物产品创新中心 (CABBI) 原料生产和可持续发展主题之间的合作中，研究人员研究了升高的 O 3 对五种 C 3 作物(鹰嘴豆、水稻、菜豆、大豆、小麦)和四种C 4作物(高粱、玉米、芒草、柳枝稷)。他们发表在《国家科学院院刊》 ( PNAS )上的研究结果表明，C 4作物比 C 3作物更能耐受高 O 3浓度。

农业部农业研究服务处 (USDA-ARS) 全球变化与光合作用研究负责人 Lisa Ainsworth 表示：“了解 C 4 生物能源作物对空气污染物的耐受性将有助于我们在世界各地战略性地部署它们。 ”诺伊大学植物生物学单位和兼职教授。

C 3和C 4作物都是全球粮食、生物能源和乙醇生产的主要来源。C 3和C 4植物之间的区别在于它们在光合作用过程中使用的碳固定途径：C 3植物将CO 2和阳光转化为3碳分子，而C 4植物的第一个光合作用产物是4碳分子分子。此外，C 4光合作用途径始于构成叶子表面的叶肉细胞，然后进入植物深处的束鞘细胞。C 3光合作用途径中不存在这种空间分离。历史上，科学家们假设C 4植物对O 3污染的敏感度低于C 3植物，但直到本研究之前，这一假设尚未得到彻底研究。

“大小和生长季节长度的变化意味着很难在田间对 C 3和 C 4作物对臭氧的反应进行并列比较”，该论文的主要作者、博士后李帅说。卡比。“这限制了C 3和 C 4作物对 O 3敏感性的准确比较。”

通过综合过去 20 年露天田间实验中O 3污染增加的作物的现有文献和未发表的数据，作者对 O 3对五种 C 3作物和四种作物生理和生产的影响进行了全面分析。 C 4作物。

“我们专注于田间实验并量化作物对 O 3污染特定增加的反应。这种新方法定量地表明，C 3作物比C 4作物对臭氧浓度升高更敏感。”李说。

这一结论背后的推理可能与 C 3和 C 4作物之间叶片解剖特征、气孔导度和/或代谢率的差异有关。在C 3植物中，O 3降解产生的活性氧会损害发生光合作用的叶肉细胞。然而，在 C 4植物中，C 4光合作用途径的空间分离有助于防止 O 3渗入制造糖的束鞘细胞。此外，C 4作物通常比C 3作物具有较低的气孔导度，可能导致C 4作物吸收较少的O 3。这些因素可能解释了C 4植物对O 3具有优异的耐受性。

“这项研究增强了我们对作物对 O 3升高的反应机制的理解，并强调了作物管理和 O 3耐受性改善的实际意义。” 李说。

世界许多地区的臭氧污染正在加剧。这项研究定量地表明， C 3作物中O 3引起的植物功能和生产力下降比C 4作物更为严重，这可能是因为O 3与C 3和C 4光合作用途径的相互作用不同。基于这一发现，可以对污染环境中的农田进行管理，以提高整体绩效。C 4作物，特别是生物能源原料，可以在O 3高的地区保持生产力。

本文的其他合著者包括诺伊州 Carl R. Woese 基因组生物学研究所 (IGB) 和 USDA-ARS 的 Christopher Moller;Christopher Montes，农业部农业研究局植物生理学家;Erik Sacks，诺伊州作物科学教授兼 CABBI 原料生产副主题负责人;DoKyoung Lee，诺伊州作物科学教授、CABBI 可持续发展研究员;CABBI 主任 Andrew Leakey，诺伊大学植物生物学教授兼主任。

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