伊利諾伊州香檳市——科學(xué)家們開(kāi)發(fā)并部署了一系列新的成像和機(jī)器學(xué)習(xí)工具，以發(fā)現(xiàn)有助于作物光合作用過(guò)程中水分利用效率的屬性，并揭示這些性狀變異的遺傳基礎(chǔ)。
這些發(fā)現(xiàn)在伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校研究生 Jiayang (Kevin) Xie 和 Parthiban Prakash 以及博士后研究人員 John Ferguson、Samuel Fernandes 和 Charles Pignon 領(lǐng)導(dǎo)的四篇研究論文中進(jìn)行了描述。
負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校植物生物學(xué)和作物科學(xué)教授Andrew Leakey說(shuō)，目標(biāo)是培育或改造在不犧牲產(chǎn)量的情況下更擅長(zhǎng)節(jié)水的作物。
“干旱壓力比其他任何事情都更能限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，”利基說(shuō)。“科學(xué)家們正在努力尋找方法，在不減少葉子吸收的二氧化碳量的情況下，最大限度地減少植物葉子的水分流失。”
植物通過(guò)葉子上稱(chēng)為氣孔的小孔“吸入”二氧化碳。二氧化碳驅(qū)動(dòng)光合作用并有助于植物生長(zhǎng)。但是氣孔也允許水分以水蒸氣的形式逸出。
“葉子和大氣之間交換的水蒸氣和二氧化碳的量取決于氣孔的數(shù)量、大小以及它們響應(yīng)環(huán)境信號(hào)而打開(kāi)或關(guān)閉的速度，”Leakey 說(shuō)。“如果降雨量少或空氣太熱太干燥，可能沒(méi)有足夠的水來(lái)滿(mǎn)足需求，導(dǎo)致光合作用、生產(chǎn)力和生存率降低。”
為了更好地了解玉米、高粱和狗尾草等植物的這一過(guò)程，該團(tuán)隊(duì)分析了其葉子上的氣孔如何影響植物的水分利用效率。
“我們調(diào)查了這些密切相關(guān)物種中氣孔關(guān)閉運(yùn)動(dòng)的數(shù)量、大小和速度，”Leakey 說(shuō)。“這是非常具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)闇y(cè)量這些特征的傳統(tǒng)方法非常緩慢和費(fèi)力。”
例如，確定氣孔密度以前需要在顯微鏡下手動(dòng)計(jì)算氣孔。Leakey 說(shuō)，這種方法的緩慢意味著科學(xué)家無(wú)法分析大型數(shù)據(jù)集。
“葉表皮的許多特征通常無(wú)法測(cè)量，因?yàn)檫@需要太多時(shí)間，”他說(shuō)。“或者，如果他們得到測(cè)量，那是在非常小的實(shí)驗(yàn)中。而且你無(wú)法通過(guò)一個(gè)非常小的實(shí)驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)一個(gè)性狀的遺傳基礎(chǔ)。”
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