防治和减轻干旱灾害影响的新成果
（一）研究生物耐干旱现象的新信息
1．探索植物耐干旱性能的新发现
⑴研究发现修改脱落酸受体可让植物更耐干旱。[27]2011年12月20日，美国加州大学河滨分校综合基因组生物学研究所的植物生物学家肖恩·卡特勒率领的研究团队，在《美国国家科学院学报》上发表论文称，他们发现，通过修改脱落酸受体，可以提高植物对干旱的耐受性。这项研究成果，有望让科学家们早日研制出耐旱农作物。
当植物遭遇干旱天气时，它们会自然产生帮助对抗干旱环境的应激激素脱落酸。脱落酸是一种抑制生长的植物激素，因能促使叶子脱落而得名。它具有控制气孔关闭、影响种子发芽等重要的生理功能，对于保护植物对抗逆境具有至关重要的作用。脱落酸会开启植物体内的受体，产生包括关闭叶子上的细胞以减少水分流失、让植物停止生长以减少水分消耗等有用的反应来帮助植物存活。
2009年，鉴于脱落酸受体蛋白在增强植物的耐旱性方面的重要作用，美国《科学》杂志将科学家揭示脱落酸的受体结构这一研究成果列为当年的十大科学突破之一。
该研究团队以拟南芥作为实验对象，对其受体基因进行遗传修改，结果发现，通过修改脱落酸受体可使其能随时打开并保持打开状态，从而成功增强植物的压力反应通路。卡特勒解释道，每个应激激素受体都有一个盖子，可像门一样打开或关闭。当受体处于打开状态时，才能诱发植物的耐旱性。
他们利用修改后的基因，制造出740多种应激激素受体并进行逐一测试，结果发现，每种受体“单枪匹马”只能满足研究人员的部分需求，但把合适的受体堆积在一起时，就达到了理想的效果：受体锁定在能激活植物体内的压力反应通路的这种状态。
这项发现有望被科学家们用来对农作物进行转基因修改，以使其在遭遇干旱天气时，生存能力更强且产量更高。研究人员打算接下来让这项研究成果走出实验室，进入田间地头，不过，他们也表示，这一过程可能还需要一些时间。
⑵发现植物体内存在着耐旱非编码核糖核酸。[28]2017年9月，美国得克萨斯农业与机械大学一个研究小组，在《植物生理学》杂志上发表论文称，他们发现，一种长链RNA(核糖核酸)，能增强实验植物拟南芥耐受干旱的能力，这项发现将有助于开发农作物新品种。
RNA通常由DNA(脱氧核糖核酸)转录而成，在生物体内普遍存在。该研究小组新发现的长链RNA，属于非编码RNA，不参与编码蛋白质，但能调节其他基因表达，从而提高植物对恶劣环境的耐受力。研究人员说，这种RNA被称为DRIR，正常情况下在植物体内含量较少，但是当植株遇到干旱等压力环境时，其水平就会上升。使用一种抑制植物生长、促进叶子脱落的激素脱落酸，可人为提高植物体内DRIR的水平。
实验表明，用脱落酸使拟南芥体内DRIR含量上升，可显著提高缺水土壤里植株的生存率。此外，有一种基因变异可增强DRIR的表达，同样具有增强植株耐旱能力的效果。基因分析显示，植物体内高水平的DRIR改变了许多基因表达，影响植株的水分输送、抗压能力和脱落酸信号传导等。人们一度认为非编码RNA是无用的“垃圾RNA”，但近年来逐渐发现许多这类RNA在催化生化反应、调控基因表达中扮演重要角色。
2．探索植物耐干旱性状组合的新发现
发现性状组合罕见的马齿苋在耐旱同时能保持高产。[29]2022年8月，耶鲁大学生态学和进化生物学教授埃里卡·爱德华兹等人组成的研究小组，在《科学进展》杂志上发表论文称，他们研究发现，马齿苋这种普通植物由于具有罕见的性状组合，使自己成为“超级植物”，不仅能够耐受干旱，而且能够保持高产。了解其这种特有的性状组合，可以帮助科学家设计出新方法，使玉米等作物能够抵御长期干旱。
在漫长的进化过程中，植物已经独立进化出各种不同的机制来改善光合作用。例如，玉米和甘蔗进化出所谓的C4光合作用，使它们能在高温下保持产量。仙人掌和龙舌兰等多汁植物则采用另一种名为CAM的光合作用，这帮助它们在沙漠和其他缺水地区生存。
研究人员在论文中指出，常见杂草马齿苋整合了这两种不同的代谢途径，创造出一种新型的光合作用，使其能够既耐旱又高产，这对植物来说是不太可能的组合。爱德华兹说：“这是一种非常罕见的性状组合，创造出一种‘超级植物’，有望应用于作物工程等领域。”
此前，大多数科学家认为C4和CAM在马齿苋叶内独立运作。但研究小组对马齿苋叶子内的基因表达进行了分析，发现C4和CAM完全整合在一起运作。它们在相同的细胞中运作，CAM反应的产物通过C4的途径进行处理。该系统在干旱时为C4植物提供了不同寻常的保护水平。此外，研究人员还建立了代谢通量模型，预测了C4+CAM集成系统的出现，反映并证实了他们的实验结果。
研究小组表示，了解这一新的代谢途径，可以帮助科学家设计出新方法，使玉米等作物能够抵御长期干旱的环境。爱德华兹说：“尽管在将CAM循环编入C4作物（如玉米）之前，还有很多工作要做。但我们已经证明，这两种途径可以有效整合。C4和CAM比人们想象的更兼容，所以可能还有更多C4+CAM物种等待被发现。”
3．探索耐旱物种生存状况的新发现
发现气候和土地使用变化可能利于耐旱物种生存。[30]2016年7月11日，美国斯坦福大学卢克·弗里希考夫等生物学家组成的一个研究小组，在《生态学通讯》杂志上发表研究报告说，砍伐森林和气候变化导致脆弱的雨林物种濒临灭绝，但同时也使那些适应干旱气候的物种留存。这一发现，有助决策者在把土地转化为耕地时，最大限度地减少物种损失。
人类面临的一大挑战是，既要有足够的耕地用来养活全球人口，又要保护野生动物栖息地。根据预测，由于人类活动，特别是农业生产的拓展，地球上大约一半的动植物物种可能在下个世纪消失。
弗里希考夫指出，在评估把动物栖息地转换为农田所带来的影响时，必须考虑一个地区现在和未来的气候情况。这样，可以使扩大农业生产的做法，最大限度地减少对野生动物的损害，甚至还可能有利于野生动物的生存。研究人员把研究重点放在蕴藏丰富野生动植物资源的热带地区，因为预计下个世纪那里将发生剧烈的气候变化，比如气温大幅上升，降水大幅减少。在过去12年里，研究人员对哥斯达黎加的300多种鸟类展开了研究。
（二）增强农作物耐干旱能力研究的新信息
1．通过施加乙酸增强作物的耐旱能力[31]
2017年6月，日本理化学研究所一个研究小组，在《自然·植物》杂志网络版上发表论文称，他们发现，施加乙酸可增强作物耐干旱的能力，并揭示了其中的机理。迄今为止，主流方法是通过转基因技术来培育耐旱农作物，然而，这项新成果有望带来简单、廉价的农业技术，从而可不依赖转基因来减轻干旱灾害的影响。
随着气候不断变化，在世界范围内突发的干旱，对玉米和小麦等农作物产量影响极大，同时还会导致土地沙漠化等问题。但培植转基因耐旱植物不但费时费力，还需投入大量资金，因此，科学家一直希望能开发出更简单、成本更低的农作物抗旱技术。
研究小组称，他们将模型植物拟南芥进行干燥处理后观察其内部代谢变化。结果发现，植物在干燥时，不仅维持生命能量的代谢途径糖酵解被强烈抑制，乙酸的合成量也异常增加。乙酸也称醋酸，是从糖酵解的中间代谢产物丙酮酸生物合成而来。
研究人员发现，这一代谢变化是表观遗传调控因子HDA6蛋白质起到开关作用，直接控制着乙酸合成基因。研究表明，从外部给予乙酸，拟南芥的耐旱性增强，并且，科学家们在水稻、玉米、小麦和菜籽等农作物上进行的实验，也获得了同样的结果。
为明确乙酸的作用机理，研究小组调查了施加乙酸时拟南芥发生的变化情况。结果表明，施加乙酸可以促进植物激素茉莉酸的合成。茉莉酸可以提高植物抗性。今后，他们将对更多重要基因，及植物的环境刺激记忆机理，进行研究。
2．通过给种子穿新“外衣”来提高作物的抗旱能力[32]
2021年7月8日，麻省理工学院土木与环境工程学贝尼代托·马雷利教授领导的研究团队，在《自然·食品》杂志上发表论文称，随着世界气候持续变暖，许多干旱地区将面临越来越大的农业生产压力。他们发明了一种很有前景的新包衣工艺，给种子穿上新“外衣”使其能锁住水分，可降低种子关键发芽阶段面临的缺水现象，甚至同时可为种子提供额外营养，使作物能长得更好。
该研究团队开发的是双层种子包衣。此前的版本能使种子抵抗土壤中的高盐分，但新版本的目标是解决种子的缺水问题。马雷利解释道，有明确证据表明，气候变化将影响地中海地区的盆地，因此，研究人员想制造一种专门应对干旱的种子包衣，帮助缓解气候变化对农业生产带来的用水压力。
新双层包衣的外层是一种凝胶状的涂层，包裹种子，为其“锁住”一切水分。包衣的内层含有保存下来的被称为“根际细菌”的微生物，以及一些促进种子生长的营养物质。当种子暴露在土壤和水中时，微生物会将氮固定在土壤中，为成长中的幼苗提供营养肥料，帮助其生长，还能使土壤变肥沃。
研究人员介绍道，种子包衣的第一层可通过浸渍实现，第二层可通过喷洒实现，过程简单且成本低廉，可在干旱地区广泛部署。同时，涂层所需材料经常用于食品工业，很容易获得，可完全生物降解。马雷利说，虽然这一过程会增加种子本身的成本，但它也可以通过减少对水和肥料的需求来节省开支。
研究人员使用摩洛哥试验农场的土壤，对新种子进行早期测试。从根质量、茎高、叶绿素含量和其他指标来看，新包衣的应用很有前景。下一步，该研究团队将利用新技术，培育出从种子到果实的完整作物，以测试是否在干旱条件下提高了农产品产量。未来，研究人员还将设计适应不同气候模式的包衣剂，有可能实现根据特定生长季节的预测降雨量，为种子量身定做包衣。
3．通过改良根系使作物更好地适应干旱环境[33]
2022年8月，美国斯坦福大学一个研究团队，在《科学》杂志上发表论文称，他们正在研究操纵植物生物过程的方法，以帮助它们在干旱环境下更有效地生长。研究人员设计出一系列合成遗传回路，能控制不同类型植物细胞的生长。他们在论文中，介绍了用这些工具来种植具有改良根结构的植物。这些方法，有助于设计出能更好地从土壤中收集水分和养分的作物，并为设计、测试和改进植物中其他功能的遗传回路提供框架。
全球粮食生产日益受到气候变化的影响，随着极端热浪和干旱越来越普遍，作物需要能更快地适应变化的环境。为了实现对植物行为的精细控制，研究团队构建了合成DNA。这个DNA像计算机代码一样工作，具有指导决策过程的逻辑门。在此条件下，研究人员使用这些逻辑门来指定某些细胞表达某些基因，从而使它们在不改变植物其余部分的情况下调整根系中的分支数量。
植物根系的深度和形状，会影响它从土壤中提取不同资源的效率。例如，具有许多分枝的浅根系可停留在地表附近，更善于吸收磷，而在底部分枝的较深根系更善于收集水和氮。使用这些合成遗传回路，研究人员可设计、种植并测试各种根系，从而为不同的环境创造出最有效的作物。在未来，还能赋予植物自我优化的能力。
研究人员设计了1000多个潜在回路，以操纵植物中的基因表达。他们发现了188种有效设计，正在将这些设计上传到合成DNA数据库，供其他科学家使用。
研究人员在烟草植物的叶子中测试了一种回路，观察能否让叶细胞产生一种在水母中发现的发光蛋白质。此外，他们还使用其中一种回路来创建逻辑门，该逻辑门能在精确定义的拟南芥根细胞中修改特定发育基因的表达。实验证明，该回路可改变拟南芥根系的生长结构。
研究人员称，气候变化正在改变植物生长的环境，而种植是人类获取食物、燃料、纤维和药物原材料的基本途径。这项工作旨在帮助人类在环境条件变得恶劣，如越来越干旱时，也拥有可种植的品种。
（三）培育耐干旱农作物的新信息
1．培育出节水型水稻新品种[34]
2007年5月20日，孟加拉国《每日星报》报道，孟加拉国农村发展学会和孟加拉国水稻研究所共同组成的研究小组，培育出多个节水型水稻新品种，可节约灌溉用水最高至50％。
孟加拉国农村发展学会副会长扎卡里亚介绍说，目前在孟加拉国生产1公斤稻谷需要5吨灌溉用水，如果按这样的用水量计算，未来几年孟加拉国将面临水荒。而培育出的90多个水稻新品种，能节约灌溉用水33％～50％。
扎卡里亚还说，有些水稻新品种成熟期也提前了，可以在120天～130天之内成熟，而普通水稻成熟期通常需要150天。
2．培育出超强转基因抗旱烟草[35]
2007年12月4日，美国加州大学戴维斯分校的植物学家罗莎·黎伟罗，与日本理化学研究所横滨植物科学中心米尅可·克基玛等人组成的研究小组，在美国《国家科学院学报》上发表论文称，为应对世界干旱地区不断扩大的趋势，他们最近成功培育出一种能在极度干旱地区存活，且只需少量水分就能茁壮成长的转基因烟草。其中采用的转基因技术推广后，可望大幅度提高农作物的抗旱能力。
美国气象研究中心资料显示，日益严重的干旱给全球农业生产带来了巨大损失，特别是最近30年来，全球严重干旱地区的面积就翻了一番。为此，人类必须采取积极的应对措施，包括培育具有强抗旱性状的转基因农作物。
那么，如何提高植物，尤其是农作物的抗旱能力呢？黎伟罗认为，关键在于弄清植物在干旱的情况下是怎样死亡的。据他推测，这是由于缺水不恰当地激活了植物体内的叶子凋亡程序。若能抑制住这个程序，就可能大大提高植物的抗旱能力，而有一种名为IPT的基因就恰好可以延迟植物叶子的凋亡进程。
研究小组对IPT进行了转基因研究，接着他们把含有IPT的基因片段添加到烟草的DNA内，之所以选择烟草是因为它植株较大，生长迅速。然后，观察含有IPT的转基因烟草与不含IPT基因的普通烟草在不同环境下的生长情况。
结果表明，正常环境下，转基因烟草与普通烟草长得一样好。在其后15天的模拟干旱环境中，普通烟草叶子失去了叶绿素，变得枯萎，而转基因烟草则保持绿色，并且没有出现较明显的枯萎现象；恢复供应水分一周后，普通烟草没能缓过来，死掉了，转基因烟草则很快恢复生机，且产量减幅很小。
研究人员还发现，转基因烟草需水量也很小，在不影响产量的情况下，其正常生长所需的水量仅相当于普通烟草的30%。黎伟罗惊讶的说：“在实验中，尽管转基因烟草两周多没有浇水，其体内仍保持有相当高的水分，且继续进行着光合作用。”
黎伟罗表示，从实验结果看，转基因烟草不仅具有极强的抗旱性状，而且有助于节省大量的农业灌溉用水。此外，将这种转基因技术应用于西红柿、水稻、小麦、棉花等农作物后，将可能培育出具有更强抗旱、节水性状的农作物品种。研究人员准备在温室实验结束后，在室外进行更真实的实验。
（四）发展节水型农业生产的新信息
1．研究农业灌溉中节约用水的新进展
⑴大力发展和推广农用滴灌节水技术。[36]2009年2月，有关媒体报道，在以色列节水技术中，农业用滴灌技术是其一大杰作。据以色列驻华大使馆提供的资料，包括耐特菲姆（Netafim）公司在内的以色列企业，掌控着全球滴灌技术市场销售额的一半以上。以色列本土约60％的农田都使用了滴灌方式，而在美国的使用率只有6％。
实践证明，滴灌有许多好处，例如，水可直接输送到农作物根部，因此比喷灌节水20％；在坡度较大的耕地应用滴灌不会加剧水土流失。另外，从地下抽取的含盐浓度高的咸水或污水经处理后的净化水（比淡水含盐浓度高）可用于滴灌，而不会造成土壤盐碱化。
特别值得一提的是，包括滴灌方式在内的以色列所有的灌溉方式，都可以采用计算机控制。据以色列专家介绍，计算机化操作可完成实时控制，也可执行一系列的操作程序，完成监视工作，而且能在一天里长时间地工作，精密、可靠、节省人力。在灌溉过程中，如果水肥施用量与要求有一定偏差，系统会自动关闭灌溉装置，并做出相应调整。
计算机系统还允许操作者预先设定程序，自动进行间隔性地灌溉，同时通过埋在地下的湿度传感器传回有关土壤湿度的信息。还有一种传感器，它能通过检测植物的茎和果实的直径变化，来决定对植物灌溉间隔的时间，当需要灌溉时，它会自动打开灌溉系统进行操作。
以色列化肥制造商，也千方百计地开发出可溶于水的产品，因此施肥可与滴灌同时作业，既提高生产效率，也节约成本，使滴灌技术趋于完善。
⑵发展农业生产中应对干旱的节水浇灌系统。[37]2011年5月，国外媒体报道，以色列是干旱缺水国家，其在耕地资源和淡水资源严重缺乏的条件下，大举发展规模化高效农业，采用新思路，研究应对干旱的节水浇灌新技术，以最少的水量投入获得最大的经济效益。
以色列浇灌用水从水源地到农田的各个环节，都采取相应的节水措施，组成一个完整的节水浇灌技术系统，包括水资源优化调配技术、节水浇灌工程技术、农艺及生物节水技术和节水管理技术。其中节水浇灌工程技术，是该技术系统的核心。以色列的节水工程浇灌技术堪称世界一绝，节水装备已出口到很多国家。
水资源的自然枯竭，迫使以色列最大限度地采用节水浇灌方法，他们提出浇灌新概念：即给农作物浇水，而不是给土壤浇水。获得普遍推广应用的节水压力浇灌技术已成为一个系统工程，该系统把水通过塑料管道直接送到植物最需要水的根部，用水效率高。压力浇灌先将化肥融入水，水肥浇灌一路完成，这给施肥技术带来了极大的变化，它导致了另一个全新的概念：“水肥浇灌”的运用。
以色列各地区的节水浇灌系统并不雷同，而是按照气候、土壤、地形、水源和各种植物生长特点具体设计，如滴灌由于器材成本高昂，仅用于温室和园艺等高附加值作物。喷灌一般用于大田作物，浇灌水利用率为70%至80%。
⑶以无人机帮助庄稼灌溉时节约用水。[38]2017年1月，一个由多学科专家组成的研究团队，在《生物地球科学》杂志发表论文称，每天数十亿加仑的淡水被用于灌溉庄稼，但很多水却因为浇灌已经成熟或即将死亡的庄稼而被浪费。现在，他们利用由无人驾驶飞机捕捉的图像给大麦田绘图，并由此决定哪一排植物最需要水
由于对可见光和红外光敏感的相机可收集光学和热量信息，该研究团队将其装载在由电池驱动的无人机上，并让它在大麦田上方90米的高度飞行。利用在春夏季获得的机载成像图，研究人员测量了大麦的绿度和温度，其中温度可反映附近空气和土壤的含水情况，并计算了每25平方厘米面积田野的水压水平。
研究人员利用从田野中直接获取的土壤水分含量信息，对其研究结果进行了检验，他们表示其基于空气传播的观察能够可靠地区分庄稼的成熟度，了解哪些庄稼需要更少的水。类似的水压图，能够精确地描述最需要灌溉的植物，从而让农民尽可能地减少水的应用，以及降低污染径流。
2．优化水库农业灌溉的合理用水调配
改进水库农业灌溉用水的三级计算机模型。[39]2006年3月，意大利佩鲁贾大学土木环境系的研究小组，根据灌溉、环境、生活及工业等多种目标，改进水库的季节内逐周优化三级计算机模型。这种经过改进的三级模型，优化了季节内和季节间，不同作物区块的水库泄水量。所得结果，可以精确描述不同层次的时空用水竞争，提供各种可能的管理方法。
研究人员对环境、生活和工业用水进行估计，他们认为首先要保证环境、生活和工业用水，尽管这样会导致灌溉用水的不足。同时，研究人员还考虑了在流域层次内的灌溉用水时空变化需求。模型目标为流域内农业收益最大。所改进的三级方法，为土壤作物单元层次的模型模拟、多作物区块层次的模型优化操作、流域层次的优化模型操作。
一级模型，模拟季节间的土壤灌溉湿度动力、“土壤—作物”单元体的作物产量，以及每种作物的系列产量。
二级模型，优化多作物区块层次的农业区灌溉体积季节间用水量分配，并产生一系列“收益—水量”方程。
三级模型，优化多作物区块层次的季节内和季节间水库泄水量分配。
这种三级方法包括动力参数程序和分析解答，结果可以反复的迭代，计算所有的变量。
通过在台伯河上游流域的应用，研究人员验证了该模型的可靠性。这种三级管理模型可以获得季节内多目标水库的优化管理方法。而且，该模型还考虑了不同用水类型条件下的供水可能性，模拟了流域内“土壤—气候”综合变化情况，获得了精确的数值解。模型综合了季节内水库泄水、流域季节水量分配决策（每个单元的用水量）、多作物区块用水块分配决策（作物类型优化、单位灌溉体积、和最大季节收益）和季节间作物用水分配决策（灌溉程序和相应的作物产量）。优化分配步骤解决了不同时间尺度（每周、每季和季度间）、以及不同空间尺度（流域内的农业区和农业区内的不同作物区块）的用水竞争问题。
