《新研究助力下一代粮食作物研发》

  • 来源专题:农业科技前沿与政策咨询快报
  • 编译者: 乌吉斯古楞
  • 发布时间:2017-11-28
  • 澳大利亚国立大学(ANU)最近的研究旨在帮助提高粮食作物产量,并使其比当今的植物有更强的抗旱灾能力。像高粱和小米这样的农作物产量会更高,而且和小麦、水稻相比,抵御旱灾和其他极端灾害的能力更强。

    研究认为小麦和水稻,也就是C3植物,利用的是最古老的光合作用形式;而高粱、甘蔗、谷子和玉米是C4植物(光合作用的一种形式),它们将利用二氧化碳、光和水转化成糖的效率更高,叶子失去的水分更少。上述几种农作物均从空气中吸收二氧化碳并将其聚集在叶子深处的特殊细胞里。利用C4光合作用的植物在高温和雨水少的情况下吸收二氧化碳更有优势,但很少有人知其背后的原理。

    为了调查这一过程,ANU教授苏珊娜·冯·凯莫尔(Susanne von Caemmerer)和罗伯特·弗班克(Robert Furbank)共同主持开展了碳酸酐酶(CA)的作用研究。CA是二氧化碳在C4植物狗尾草(也称为绿色粟)的叶子中遇到的第一种酶。这种酶对于C4植物光合作用很重要,它帮助空气中的二氧化碳快速分解成细胞液。此研究第一次使样本C4植物转化了更少的CA酶,并看到其对光合作用以及水分流失的影响。研究认为,在恶劣条件下,例如旱灾或是高温下,如果植物大量拥有这种酶将十分有利。该研究由平移光合作用卓越中心资助,相关成果发表在近期的《实验植物学杂志》(Journal of Experimental Botany)上。

    团队将继续开展深入研究,验证CA酶在极端环境下的作用。

    (编译 乌吉斯古楞)

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    • 编译者:李晓萌
    • 发布时间:2024-01-24
    • 随着从第五代无线系统(5G)向下一代通信系统(NextG)的过渡进展,研发界有机会找出关键的无线通信研究差距。解决这些差距可能会在未来二十年推动无线通信的创新。为了满足这一需求,美国国家标准与技术研究所(NIST)与美国国家科学基金会(NSF)合作,以NIST SP 1293的形式发布了《下一代通信研发差距报告》。NIST和NSF合作伙伴与政府、学术界和工业界的利益相关者合作,确定NextG系统的关键技术创新和研究机会。 该报告强调了研发组织可以重点关注的主要技术差距,以推动下一代(NextG)技术在硬件、高频、联合通信、传感和节能网络等关键垂直领域的长期创新。该报告描述了108个新的技术差距,这些差距建立在NIST于2018年发布的题为“未来一代无线研发差距分析”的特别出版物1219报告中的发现基础上。新报告反映了利益相关者与NextG专家18个月的接触,强调: 研发不足:问题要么未被触及,要么需要更多资源。 长期观点:研究差距为10-20年。 融合加速:利用整个NextG生态系统的能力。 与联邦研发保持一致:由于其高风险/高回报性质,适合政府干预的缺口。 从2021年开始,NIST和NSF团队通过审查现有研究和市场趋势,评估了未来无线研发的挑战。在这篇文献综述之后,团队对利益相关者进行了访谈,以了解他们的研发重点、挑战和对未来通信系统的期望。2022年4月,该团队召集了一个由50多个利益相关者组成的公共工作组。工作组制定了一套全面的长期研发差距和问题。反馈机制涉及对具体议题的调查和讨论,以确保最后报告在技术上准确和相关。 研究结果涉及多个领域: 1.趋势和驱动因素:了解美国行业政策和标准制定过程等外部因素如何影响NextG创新。 2.硬件和高频研发差距:深入研究NextG用例的硬件功能相关的技术要求和挑战。 3.频谱科学和共享研发差距:鉴于NextG应用程序的数据密集型性质,讨论频谱共享和利用方面的技术障碍。 4.联合通信和传感研发差距:研究将雷达传感与基于互联网的网络集成以实现高效NextG通信的潜力。 5.人工智能和ML研发差距:需要利用数据科学和机器学习来改善网络资源分布,并允许新的NextG应用领域。 6.数据可用性、使用和隐私研发差距:解决NextG应用程序数据采集和管理中的治理和技术相关挑战。 7.NextG网络架构研发差距:了解如何开发多功能网络,以适应NextG中的各种设备和应用程序。 8.非地面网络研发差距:调查将卫星等非地面网络与传统网络整合以获得更好的通信系统的挑战。 9.可持续网络研发差距:专注于创建节能和可持续的NextG网络。 在向NextG过渡的过程中,本报告强调了研发界的关键重点领域,为未来20年的无线通信创新提供了路线图。
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    • 编译者:金慧敏
    • 发布时间:2015-07-27
    • 我们需要很多土地来提供粮食、提供生物能源,保持土地营养使它们不能污染我们水和空气。为了使土地能够完成这些高需求,美国能源部Argonne国家研究所开展了改善土地利用方案设计。 通过与伊利诺斯州中部地区印度河流域的农业社区合作,这些研究人员寻求到可以同时满足三个目标(即最大农业生产、种植生物燃料和保护环境)的方法。 它所需要的是一个多功能景观,有效分配资源,种植适合土壤和地区的作物。在商品作物难以生长地区成排种植生物能源作物,如柳树或柳枝稷,可以提供生物能源材料,同时可以减少养分流失,所有这些不会损害农民利益。这是Argonne科学家在费尔伯里玉米田中收集数据和模拟得到结果。 “我们正在努力解决的问题是如何设计可持续能源系统。”Argonne首席农学家和环境工程师克里斯蒂娜•内格罗说,“这不是理想主义,我们想展示它的可行性,如果我们有了详细方案,我们将看到真实结果。”因此,内格罗和她的团队建立了试验站,开展经济可行性、生物燃料和环境健康之家平衡研究。 面对这个挑战,需要改变观念。研究人员没有把整块土地看做一个单元,而是分析了玉米地分区。他们发现最低产量分区中土壤氮素的持有量也是最低。这些区域都是双重征税,对农民来讲这些区域是无收益的,而且破坏了环境。 内格罗对生产力不足土地的解释是:“设想一下,倾倒一些品质好、营养丰富的溶液到长满植物的肥沃土壤上。而这些养分能被土壤保持足够长时间,以利于植物吸收,并最小化泄露。现在假设把同样的溶液浇在滤器上:如果样本透过土壤太快,则对植物无效。玉米生长慢,更多溶液则淋失到地下水。” 但是在“滤器”样的土壤上种植生物能源植物,能够解决环境和经济问题,这就是内格罗课题组所展示的反硝化作用分解模拟。 柳树和柳枝稷是多年生生物能源作物,这植物比一年生植物具有更加宽广根域系统,这些根每年从头开始生长。更深层次的根可以较好地吸收深层土壤中氮素。 农业耕地损失的氮素是主要环境问题。如果氮素不能被土壤持有或者被植物吸收,氮素将进入空气或水体。它能够以一氧化氮方式释放到空气中,比二氧化碳产生的温室效应强310倍。硝酸盐渗漏到水体中耗尽氧气,对水生系统造成破坏,就像伊利湖那样。费尔伯里玉米田位于印度河流域,流淌到朱沙河,最后到达墨西哥湾,这条河多年来一直患因养分流失造成缺氧问题。 尽管科学家们在能源和环境付出了努力,研究小组意识到必须把农民经济收入作为底线。 博士后赫尔伯说:“整个农村是盈利的,但是通过收集详细数据,我们发现在一些区域农民没有收回他们成本。”农民损失金钱用来购买了昂贵氮肥来弥补农田生产力不足。 在玉米产量低地区植入成排的生物能源作物,意味着农民不会再从玉米作物上受到可观的损失。作为回报,根深蒂固的生物能源作物可以积累损失的氮肥,以作为免费肥料。 自2013年以来,Argonne的科学家在费尔伯试验区里种植了柳树,将要在下一年继续收集数据,看能否达到他们预期。“我们已经可以控制28%硝酸盐损失,这只用了两个生长季节。” Ssegane说。没有施肥,柳树生长的很好。 依照Ssegane的研究,这个项目正在证明一个观念。农民有计划种植生物能源作物能够提高生产力、节约成本,同时为科学界展示了如果选择合适地点种植生物能源作物,这个模式是可持续的。 “在这项研究工作之前,主流方案是“专用土地”,即把大面积玉米变成柳枝稷,” Ssegane说:“生物能源作物的专用地在农业区是不可能的,他们的经济收入与粮食相关。通过成本效益检测,转化生产力不足的区域为轮作区是可行的。” 在生物能源作物专区与单一经济作物种植之间,多功能景观区是令人振奋的、有效的手段。 科学家正在探索这些设计理念能够延伸到整个水域。最终,他们希望这项研究能找到科学家与农民都支持农业规划。 期刊参考文献:Herbert Ssegane, M. Cristina Negri, John Quinn, Meltem Urgun-Demirtas.Multifunctional landscapes: Site characterization and field-scale design to incorporate biomass production into an agricultural system. Biomass and Bioenergy, 2015; 80: 179 DOI:10.1016/j.biombioe.2015.04.012