龍舌蘭可能最常與龍舌蘭酒聯絡在一起，但這種植物還有一種不太為人所知的用途——它正在教科學家如何培育更耐旱的植物。
這種耐寒的多肉植物，以及刺梨（一種可食用的仙人掌）、菠蘿和香草蘭等物種，經過數百萬年的進化，可以進行一種不同的光合作用，使植物能夠在水資源不總是充足的半乾旱環境中生存。
這個過程被稱為景天酸代謝，簡稱CAM，一小部分科學家已經研究它幾十年了，因為具有這種代謝途徑的植物用水量較少。然而，直到最近幾年，越來越多的研究人員才開始嘗試完全識別這種光合作用途徑，並將其轉移到其他植物物種。
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在植物中重新建立整個代謝途徑絕非易事。一旦科學家弄清楚了與基本功能及其調節相關的所有基因，他們就必須找到一種方法，將這些遺傳物質新增到目標植物中，或者使植物內現有的基因和蛋白質按照他們希望的方式工作。研究人員表示，總而言之，這可能涉及大約100個基因，儘管他們還不知道確切的數字。
橡樹嶺國家實驗室生物科學部的科研人員夏晗·楊（Xiaohan Yang）是致力於研究如何使CAM在其他型別植物中發揮作用的研究人員之一。他說，僅在最近幾年，人們對CAM的興趣迅速增加，因為人們對氣候變化對乾旱的影響的擔憂日益加劇，並且聯邦政府的資金也越來越多。
龍舌蘭和仙人掌的光合作用有何不同？與大多數在白天透過葉子上的氣孔吸收二氧化碳的植物（稱為C3和C4植物）不同，CAM植物在夜間吸收大部分二氧化碳。這種時間上的轉變意味著透過蒸騰作用從葉子上蒸發的水更少。事實上，CAM植物所需的水量分別是C3和C4植物的五分之一到三分之一。
然而，CAM植物還需要一種在夜間儲存碳的方法，因為與其他植物一樣，如果沒有陽光，它們就無法利用碳來構建像糖和澱粉這樣的能量儲備。它們透過將碳臨時固定在主要由蘋果酸組成的瞬時池中來實現這一點。當太陽昇起時，植物會分解有機酸，釋放出二氧化碳。此時，植物能夠像C3植物一樣進行光合作用，只是氣孔不必保持開放狀態，因為碳已經存在於葉子中。
像楊這樣的研究人員面臨的挑戰是找到一種方法，讓其他植物也能產生這種夜間碳儲存。由於過去兩年中，許多不同的CAM植物的基因組已被測序，研究人員開始更好地瞭解該途徑的工作原理。
楊說：“我們非常清楚哪些基因對CAM物種很重要。目前，我們正在研究這些基因如何組合在一起，然後測試它們的效率。”
為嚴峻的全球糧食問題提供更強健的植物
如果他們取得成功並且CAM植物的產量足夠高，這項研究可能會對全球糧食安全產生重大影響。隨著人為造成的氣候變化在本世紀內導致氣溫升高，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）預測，乾旱可能會變得更長、更嚴重。與此同時，全球人口預計將超過90億，給可用的水資源帶來更大的壓力。研究人員表示，在這種情況下，擁有更多能夠以更少的水為人類和動物生產食物以及纖維和燃料的植物將變得更加重要。
聯邦政府對CAM在生物燃料方面的應用感興趣。楊是能源部資助的一個為期五年的研究專案的一部分，該專案專注於將CAM光合作用途徑工程化到生物能源作物中。他的實驗室特別關注楊樹，這是一種用於其木質生物質的快速生長樹木。這項1430萬美元的撥款在美國和英國的五個機構之間分配，其中630萬美元撥給橡樹嶺國家實驗室；田納西大學諾克斯維爾分校；和紐卡斯爾大學。另一個包括內華達大學雷諾分校和利物浦大學在內的子團隊獲得了760萬美元的資金。
上週，來自九個不同國家的51位研究人員共同撰寫了一篇文章，發表在期刊《新植物學家》的首次觀點部分，概述了該領域為進一步開展CAM研究和工程化需要做些什麼。楊是這篇文章的主要作者。他說，這篇“路線圖”文章不僅是為研究CAM的科學家準備的，也是為更廣泛的受眾準備的，向他們介紹這項研究。作者還討論瞭如何將現有的CAM植物開發成主要作物。
對CAM植物的研究是國際社會為識別並最終工程化能夠使植物更耐旱的遺傳性狀而做出的更廣泛努力的一部分。在發表在期刊《植物細胞》上個月的一項研究中，韓國首爾國立大學的研究人員在模式植物擬南芥中發現了一種重要的轉錄因子（NAC016），可以促進乾旱脅迫反應。根據該研究的主要作者Nam-Chon Paek的說法，這些發現可以為了解如何透過傳統育種或生物技術開發耐旱植物提供見解。
本週早些時候，堪薩斯州立大學的研究人員發表了一項研究，表明識別與適應相關的特定基因組特徵可以預測不同品種的高粱如何對乾旱等環境壓力做出反應。
堪薩斯州立大學農學助理教授兼該研究的主要作者傑弗裡·莫里斯（Geoffrey Morris）說：“這種方法使我們能夠檢視作物基因庫中的品種，並說‘嘿，這個品種中有些有用的東西’。”
他說，該研究並未將植物遺傳學與特定性狀聯絡起來；相反，該方法基於地理位置與某些基因組標記之間的關聯。
莫里斯說：“我們正在關注的是近期用途。大多數作物遺傳實驗室都可以利用這一點，”他補充說，對CAM工程的研究更加專業，可能需要多年才能完成。
雖然CAM研究人員不能確定在C3或C4植物中開發CAM途徑需要多長時間，但楊說，至少在概念上，他們的方法是最好的。
進化發揮了作用
他說：“進化已經給了我們答案：CAM的進化是為了達到最高的[水]效率。”
他說，與其他在乾旱時期生長更深的根系或枯死的植物不同，CAM物種有一種像駱駝一樣節約用水的方法。
楊和他的同事們並非試圖製造一種能夠像CAM植物一樣始終固定碳的C3植物。相反，他們計劃創造一種C3雜交體，如果在暴露於乾旱或高鹽度條件下，這種雜交體將能夠切換到更節水的代謝方式。或者，正如報告的共同作者約翰·庫什曼（John Cushman）所說的那樣，他們想製造一種可以“按需使用CAM”的植物。
研究人員正專注於創造一種與C3植物的雜交體，因為根據內華達大學雷諾分校生物化學和分子生物學系的教授、為期五年研究專案的一部分庫什曼的說法，CAM植物在1000萬到3000萬年前從它們進化而來。他說，在此之前，還需要進行大量的研究。
他說：“這些途徑非常複雜；在對藍圖有充分的瞭解之前，您不希望重新設計任何東西。這些途徑的進化方式，涉及一組協調一致的基因……我們認為僅僅做一些邊緣的改變是不夠的。”
到目前為止，還不清楚有多少基因參與了CAM。楊說，雖然向植物物種新增新的代謝途徑將是一個複雜的過程，但CAM植物確實與C3和C4植物共享許多分子成分和基因，這可能有助於促進這一過程。
樂觀的一個原因是，這些具有雙重能力的植物已經存在於自然界中。Clusia pratensis是一種被稱為兼性CAM的植物。在正常降雨的情況下，這種巴拿馬植物會在白天像C3植物一樣吸收二氧化碳，但在乾旱時期，它開始在夜間吸收二氧化碳。
楊說：“這是自然界中（C3和CAM）可以共存於一種植物中的完美例子。該物種有點神奇。”
Clusia pratensis並不是唯一的兼性CAM植物。庫什曼研究Mesembryanthemum crystallinum，也稱為普通冰葉。研究有助於揭示CAM中招募的基因，儘管這種方法可能在不同物種之間並不統一。
理想情況下，在CAM工程中使用最好的C3植物應該是已經有完全測序的基因組、可以很容易地轉化、會對糧食或生物燃料生產產生重大影響並且目前無法在乾旱地區繁榮生長的植物。
在能源部撥款的剩餘兩年中，研究人員將努力將CAM轉移到模式植物擬南芥和楊樹中。
庫什曼說：“我們將從小處著手，從核心代謝開始，然後向外發展。”
報告的作者寫道，最終，如果他們成功地將CAM轉移到C3植物中，研究人員也可能會將CAM新增到玉米和高粱等C4植物中，以提高它們的用水效率。
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