藉由分析穩定碳同位素找出水分利用效率高之玉米品系
2018/11/23 @國際
示意圖
全美國地區的農業用水占全國水資源利用的80%，其中大多用於灌溉作物方面。近年來由於極端氣候發生次數頻繁，各地不定時發生短時間強降雨與長時間乾旱的情況，農業灌溉恐面臨缺水危機。除改善儲水設施、發展以大數據為主的極端氣候預警系統、開發特殊自動化灌溉設施外，透過育種技術，以傳統雜交或分子選育，改良作物性狀、培育耐極端氣候的品系(種)，皆為研究的方向。許多研究顯示，植物水分利用效率(water-use efficiency, WUE)的高低，是決定該物種是否耐旱的指標之一，該指標可反映植物進行光合作用時，固碳效率及反應期間水分消耗多寡的關係，效率高意味著植物僅需消耗少量水分，便可固定大量光合作用產物；一般而言，生長在乾旱地區的作物與降雨充沛地區的作物相比，擁有較高的水分利用效率，而C4植物則較C3植物高。藉由分析不同品系間水分利用效率的高低，將有助於人們在未來培育新品種。
美國現今約有9,000萬畝的農地，以粗放經營的方式大面積種植經濟作物玉米(Zea mays)，整體用水量相當可觀。玉米是原產於美洲的C4植物，擁有長期人為馴化史，美國有多種品系，不同品系間的水分利用效率皆有差異，若能先建立各品系的水利用效率特徵，將有助於後續找出對應之遺傳性狀，做為未來育種之用。
傳統分析水分利用效率的方式係透過儀器量測葉片上水分及二氧化碳進出氣孔的多寡得知，但由於該方法須長期監控，且推廣至大規模應用不符經濟效益，因此美國伊利諾大學作物科學系(Department of Crop Sciences, University of Illinois)的研究團隊以測量穩定碳同位素(stable carbon isotope)，分析葉片中穩定碳同位素的含量，藉以推論不同品系間的水分利用效率。碳元素在自然界中具有不同中子數的型態，多數以較輕的碳-12形式存在，而少數以較重的碳-13形式存在。當植物吸收自然界中不同碳元素組成的二氧化碳進行光合作用時，便將各個同位素形式的碳固定在植物體內。研究藉由植物體內碳-12與碳-13的比例，便可推估各個物種或品系的水分利用效率。【延伸閱讀】以近紅外光譜儀即時監測牧草之營養狀態
研究團隊將玉米的36種自交系(inbred line)分別以不同生長季、多處溫室及田野等條件中進行試驗，最後測量其穩定碳同位素比例。研究發現穩定碳同位素的性狀是可遺傳，在不同試驗環境下，其特徵趨勢相似。研究成果初步證實，玉米的水分利用效率特徵是可遺傳的，這項發現提供育種者新的選育方向。研究團隊預計在未來找出與水分利用效率相關的基因，盼為玉米品種改良做出貢獻。
該研究由美國農業部國家農業及食物研究院(National Institute of Food and Agriculture, USDA)資助，相關研究成果已於今年10月發表在<The plant journal>。
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