由於氣候變化造成的作物損害，以及全球人口和營養需求的增長，很明顯，未來世界需要生產更多的食物。長期以來，研究人員一直在研究如何透過傳統育種和基因改造等方式幫助植物抵抗害蟲和乾旱等環境壓力。但關於植物究竟如何與環境相互作用，以及科學家如何修改這些過程以幫助它們適應環境，仍然存在許多問題。
德國網路生物學研究所的研究人員及其同事可能已經找到了一種方法來提供幫助。他們在7月初在《自然》雜誌上發表了一項研究，表明植物與環境的交流方式比之前認為的要複雜得多。調查顯示，在一種植物屬中，由激素驅動的資訊處理網路是由2000多種蛋白質相互作用進行的，其中數百種是以前沒有被發現的。“我們需要第二次綠色革命，”多倫多大學的植物生物學家雪萊·倫巴（Shelley Lumba）說，她沒有參與這項研究。“這些將是很好的測試線索。”
與大部分發育在子宮內完成的動物不同，植物在整個生命週期中都保持相對的靈活性。感覺蛋白會檢測不斷變化的環境條件，然後利用激素來導致植物相應地改變其行為或生理機能。許多途徑都已廣為人知：例如，激素ABA透過指導一系列特定的蛋白質執行細胞功能，告訴植物在乾旱期間關閉氣孔並節約水分。
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然而，這些激素網路的靈活性正是使它們難以進行基因改造或工程化以應對氣候變化的原因。市場上大多數基因改造的農作物是透過將細菌的基因新增到植物的基因組中製成的——例如，使其能夠抵抗除草劑或殺蟲劑。儘管使用新的基因組編輯技術操縱蛋白質相對容易，“但你通常會把植物搞砸，”特拉維夫大學的植物生物學家艾隆·沙尼（Eilon Shani）說。
為了培育出能夠抵抗環境壓力的作物，研究人員依賴於利用植物之間天然存在的遺傳多樣性的傳統育種技術。例如，他們透過這種方式培育出了能夠產生高水平ABA的小麥品種。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的作物科學家馬修·哈德森（Matthew Hudson）說，近年來，這種育種變得越來越困難。一方面，許多國家已經開始禁止出口具有有用特性的種子，以將其作為自然資源加以保護。
包括CRISPR/Cas9基因組編輯在內的新技術可以使基因改造相對簡單。然而，希望調整植物基因的科學家必須首先知道他們在尋找什麼。關注系統而不是單個基因可能會被證明是有用的。例如，為了啟用對昆蟲的防禦，植物可能必須關閉另一條激素通路，例如生長或水分保持。
“植物生理學存在許多基本的權衡，我們知道它們存在，但它們沒有以定量的方式進行描述，”哈德森說。他說，像《自然》雜誌上的研究這樣的研究可以幫助科學家開發計算模型，從而揭示如何透過基因工程來理解和調整這些通路。“這顯然是下一代的研究，”哈德森說。
讓植物更靈活可能比賦予它們特定的性狀更重要。“激素允許反應發生，”倫巴說。“它們不是在指示；它們允許讀取環境刺激。”
倫巴正在研究幫助某些植物迅速重新佔領被森林大火夷為平地的地區的激素機制。當這些“火的追隨者”感知到燃燒物質釋放的化學物質時，它們會釋放一種稱為生長素的激素，從而引發萌發。然而，由於所有已知的植物都含有生長素以及煙霧感應蛋白，因此尚不清楚為什麼大多數植物實際上沒有做出反應。她說，繪製感測器和反應之間的廣泛途徑，可能是幫助火災後恢復生態系統的一步。
培育能夠迅速適應環境的作物將繼續是一項艱鉅的任務。研究訊號機制的大多數植物研究人員都將重點放在擬南芥上，這是一種與捲心菜和芥菜相關的開花草本植物。擬南芥的實驗室模型已經得到了非常好的表徵。哈德森說，揭示玉米或水稻等作物中的整個蛋白質相互作用網路，將需要數年時間和數百萬美元。
儘管研究人員一直在研究能夠抵抗乾旱或其他壓力的轉基因作物，但沒有一種變異體接近商業化。“我們可以新增[傳統育種植物]的轉基因性狀，但我們實際上並沒有設計出使植物成為可行作物的微妙之處，”哈德森說。他的團隊和伊利諾伊大學的其他團隊正在努力開發計算機演算法，以預測透過工程改造特定基因將如何影響植物的生長。對於生長緩慢的生物（包括正遭受寄生真菌威脅的核桃樹）來說，這樣的系統可以節省多年的觀察和等待。
同樣的優勢也適用於非作物植物。羅格斯大學的植物生物學家黃冰茹（Bingru Huang）已經對用於高爾夫球場草坪和其他應用的草的激素訊號通路進行了基因改造。她發現，增加稱為細胞分裂素的激素含量並使植物對不斷變化的激素水平更加敏感，使草對熱和鹽鹼土壤的抵抗力更強。然而，黃說，激素通路的實際基因工程將是困難的。“當你改變一種激素時，其他激素也會改變，”她補充道。
最終，弄清楚植物如何與周圍環境交流並適應惡劣環境可能有利於糧食供應。“我們不認為我們比自然和植物更聰明，”沙尼說。“但我們可能會幫助植物更快地適應環境，而不是等待數百萬年讓進化再次發揮作用。”