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气候变暖殃及小麦

2015-08-12 08:57 | 作者: 周彬彬 | 标签: 气候变暖

自工业革命以来,大气中CO2的浓度就一直在不断地攀升。在2012年,联合国世界气象组织发布的报告表明:2011年,地球大气中的二氧化碳含量创下了历史新高,达到390.9PPM,逼近了我们设定的基准值400PPM,比工业化前CO2水平(280ppm)增加了140%(图1. 大气二氧化碳含量变化)。

在2013年,美国夏威夷茂纳罗亚天文台(Mauna Loa Observatory)监测的数据显示,当地大气的CO2日均浓度值已达400.03PPM(超过了400PPM的基准)。在今年或明年,全球范围内的CO2浓度将整体超过400PPM,这意味着以后发生气象灾害的频率将会增加。预计在本世纪末,CO2的浓度还将达到现在水平的2~3倍。那么, CO2浓度的增加是否会增加农作物的病害呢?是否会降低作物的产量呢?

为了回答这些问题,爱尔兰都柏林大学生物与环境学院未来作物研究小组的研究人员做了一项相关“大气中CO2水平升高对小麦病害的影响”的研究【1】。他们的研究结果于今年7月发表在国际著名生态学和保护生物学杂志《Global Change Biology》(全球变化生物学)上。


(图1. 茂纳罗亚天文台监测的1960年至2010年大气中二氧化碳含量变化)

首先,他们在人工可控的气候室设定了2个不同的CO2浓度。一个是现阶段CO2浓度:390PPM,另一个是翻倍后的CO2浓度:780PPM。然后在这两种不同环境下种植小麦,待小麦长到一定时期以后,分别用两种小麦的主要病害:赤霉病(Fusarium head blight)和壳针孢叶枯病(Septoria tritici blotch)(图2. 小麦赤霉病和壳针孢叶枯病)来侵染他们,观察记录这不同CO2浓度对这小麦赤霉病和壳针孢叶枯病的影响。最终目的是想知道:CO2浓度的增加是会增加病害的严重程度,还是减少病害严重程度?是增加小麦的抗病程度,还是减少小麦的抗病程度?


图2. 小麦赤霉病和壳针孢叶枯病

他们的研究结果最终表明:
1,CO2浓度的增加加重了小麦赤霉病和壳针孢叶枯病的发病程度。
2,CO2浓度的增加不仅增加了这两种病原菌的毒力,同时还降低了小麦的抗病能力。
3,在遭受同样病原菌入侵的情况下,每个麦穗小麦的颗粒数最大可减少76%,每穗小麦的种子重量最大可下降59%。这意味着CO2的浓度增加会降低小麦的产量。

那么,CO2浓度的增加除了会对以上两种小麦病害有影响外,是否还会增加其它小麦病害的发病程度呢?除了增加小麦的病害以外,是否同样也会增加其他作物(水稻,玉米,大豆)的病害程度呢?而且,除了CO2这一个气候变化因素以外,其它温室气体,例如:一氧化二氮(N2O), 甲烷(CH3)等是否也会影响我们的作物育种工作呢?这些问题也应进行深入的研究。

实际上气候变化不仅仅会给作物病害带来新的挑战,同样会给作物的虫害带来新的挑战。
今年5月,中国农科院植物保护研究所植物病虫害生物学国家重点实验室的马春森研究员团队也在《全球变化生物学》杂志上发表了气候变化对农作物虫害的影响的研究【2】。他们经过6年研究发现:气候变化正在改变三种麦蚜(麦长管蚜、禾谷缢管蚜、麦二叉蚜)的优势种群结构。然而,这三种麦蚜在传播麦类作物病毒性病害的种类以及传播效率上都有明显的差异。因此,如果它们现有的优势群落结构以及它们三者之间的相对优势度发生了改变,就会对麦类作物的病毒性病害的感染种类、感染率、病害发生面积以及病害流行病学都产生相应的影响,最终会对于我们正确预测和有效防治病害带来不利的影响,从而使得农作物大面积减产。

以上两个研究表明:全球气候变化正给我们的农作物、病原菌、昆虫带来新的选择压力,由于不同物种对这种选择压力的反应不同,适应能力不同,进而会影响我们的现有的农业病虫害的防治方法。

总而言之,这些研究给我们的育种工作者提了个醒。由于普通的一个育种项目大概需要5~10年的时间(传统育种需要的时间要比现代分子育种要长很多),那么育种工作者要对某种作物开展育种工作时,是否需要将未来气候变化的各种因素考虑在他们正在进行的育种项目之中?

参考文献:
Váry, Z., Mullins, E., McElwain, J. C. and Doohan, F. M. (2015), The severity of wheat diseases increases when plants and pathogens are acclimatized to elevated carbon dioxide. Global Change Biology, 21: 2661–2669.
Ma, G., Rudolf, V. H. W. and Ma, C.-s. (2015), Extreme temperature events alter demographic rates, relative fitness, and community structure. Global Change Biology, 21: 1794–1808.

来源:基因农业网

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