像大气中的甲烷和二氧化碳一样，地面臭氧水平正在上升。但作为化石燃料燃烧的有害副产品，臭氧对玉米农业的潜在威胁相对较少受到关注。一项新研究通过在田间将一组基因多样化的玉米植物暴露于未来臭氧水平来解决这一疏忽。该研究发表在《全球变化生物学》杂志上，发现玉米家族树中的某些成员在高臭氧空气污染下比其他成员更容易遭受产量损失。研究人员表示，发现这些差异的遗传基础可以帮助植物科学家开发抗臭氧玉米。
“臭氧进入植物的方式与二氧化碳相同：它从大气扩散到叶子中，”美国农业部科学家Lisa Ainsworth说，她与伊利诺伊大学植物生物学教授Andrew Leakey、佛罗里达大学分子遗传学和微生物学教授Lauren McIntyre以及加州大学戴维斯分校植物科学教授Patrick Brown共同领导了这项研究。
Ainsworth和Leakey是伊利诺伊大学Carl R. Woese基因组生物学研究所和作物科学系的附属成员。
二氧化碳是植物的营养物质，Ainsworth说。“最终进入谷物的所有碳都首先通过叶子，”她说。但臭氧是一种高度反应性的分子，会损害生物组织并在植物叶子中损害光合碳捕获。
“基本上，臭氧加速了叶子的老化，”Leakey说。
即使背景臭氧水平也会造成一些损害，Ainsworth说。“我们的研究表明，当前的臭氧水平使玉米产量减少了多达10%，”她说。“这相当于干旱或洪水或任何单一害虫或疾病，但这是美国产量损失中相对未被研究的部分。”
研究人员使用伊利诺伊大学的自由空气浓度富集设施来追踪农业田地中较高大气臭氧水平的现实后果。FACE设施使用一个复杂的排放系统，该系统监测风向和速度，以用包括臭氧在内的各种气体对田地进行特定水平的喷洒。
“我们在这个研究中喷洒的水平是在中国和印度常见的水平，”Ainsworth说。“所以，它并不特别高，尽管我们使用的浓度是伊利诺伊州中部背景臭氧水平的2 1/2倍。”
研究人员种植了45种代表所有主要类型玉米的杂交玉米植物——爆米花、扫帚玉米、凹痕玉米、燧石玉米等——以寻找它们对高臭氧水平的反应变化。他们发现一些杂交品种比其他品种对臭氧压力更敏感。
“我们发现两种玉米线的后代对臭氧污染更敏感，无论我们与哪种其他类型的玉米杂交它们，”Leakey说。“当暴露于高臭氧条件下时，它们的遗传缺陷以不同的方式表现出来。”
商业玉米的遗传学是一个商业秘密，所以“我们不知道这些玉米品种是否有相同的致命弱点，”Leakey说。“育种者不会知道这些差异，因为它们在清洁空气条件下并不明显。”
Leakey说，需要更多的遗传分析和像FACE设施进行的那些实验来确定今天的植物将如何应对未来的条件。
“在气候变化之前了解植物将如何应对气候变化非常重要，”他说。“这是我们找到未来所需解决方案的唯一途径。”