龙舌兰可能最常与龙舌兰酒联系在一起，但这种植物还有一种不太为人所知的用途——它正在教科学家如何培育更耐旱的植物。
这种耐寒的多肉植物，以及刺梨（一种可食用的仙人掌）、菠萝和香草兰等物种，经过数百万年的进化，可以进行一种不同的光合作用，使植物能够在水资源不总是充足的半干旱环境中生存。
这个过程被称为景天酸代谢，简称CAM，一小部分科学家已经研究它几十年了，因为具有这种代谢途径的植物用水量较少。然而，直到最近几年，越来越多的研究人员才开始尝试完全识别这种光合作用途径，并将其转移到其他植物物种。
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在植物中重新创建整个代谢途径绝非易事。一旦科学家弄清楚了与基本功能及其调节相关的所有基因，他们就必须找到一种方法，将这些遗传物质添加到目标植物中，或者使植物内现有的基因和蛋白质按照他们希望的方式工作。研究人员表示，总而言之，这可能涉及大约100个基因，尽管他们还不知道确切的数字。
橡树岭国家实验室生物科学部的科研人员夏晗·杨（Xiaohan Yang）是致力于研究如何使CAM在其他类型植物中发挥作用的研究人员之一。他说，仅在最近几年，人们对CAM的兴趣迅速增加，因为人们对气候变化对干旱的影响的担忧日益加剧，并且联邦政府的资金也越来越多。
龙舌兰和仙人掌的光合作用有何不同？与大多数在白天通过叶子上的气孔吸收二氧化碳的植物（称为C3和C4植物）不同，CAM植物在夜间吸收大部分二氧化碳。这种时间上的转变意味着通过蒸腾作用从叶子上蒸发的水更少。事实上，CAM植物所需的水量分别是C3和C4植物的五分之一到三分之一。
然而，CAM植物还需要一种在夜间储存碳的方法，因为与其他植物一样，如果没有阳光，它们就无法利用碳来构建像糖和淀粉这样的能量储备。它们通过将碳临时固定在主要由苹果酸组成的瞬时池中来实现这一点。当太阳升起时，植物会分解有机酸，释放出二氧化碳。此时，植物能够像C3植物一样进行光合作用，只是气孔不必保持开放状态，因为碳已经存在于叶子中。
像杨这样的研究人员面临的挑战是找到一种方法，让其他植物也能产生这种夜间碳储存。由于过去两年中，许多不同的CAM植物的基因组已被测序，研究人员开始更好地了解该途径的工作原理。
杨说：“我们非常清楚哪些基因对CAM物种很重要。目前，我们正在研究这些基因如何组合在一起，然后测试它们的效率。”
为严峻的全球粮食问题提供更强健的植物
如果他们取得成功并且CAM植物的产量足够高，这项研究可能会对全球粮食安全产生重大影响。随着人为造成的气候变化在本世纪内导致气温升高，政府间气候变化专门委员会（IPCC）预测，干旱可能会变得更长、更严重。与此同时，全球人口预计将超过90亿，给可用的水资源带来更大的压力。研究人员表示，在这种情况下，拥有更多能够以更少的水为人类和动物生产食物以及纤维和燃料的植物将变得更加重要。
联邦政府对CAM在生物燃料方面的应用感兴趣。杨是能源部资助的一个为期五年的研究项目的一部分，该项目专注于将CAM光合作用途径工程化到生物能源作物中。他的实验室特别关注杨树，这是一种用于其木质生物质的快速生长树木。这项1430万美元的拨款在美国和英国的五个机构之间分配，其中630万美元拨给橡树岭国家实验室；田纳西大学诺克斯维尔分校；和纽卡斯尔大学。另一个包括内华达大学雷诺分校和利物浦大学在内的子团队获得了760万美元的资金。
上周，来自九个不同国家的51位研究人员共同撰写了一篇文章，发表在期刊《新植物学家》的首次观点部分，概述了该领域为进一步开展CAM研究和工程化需要做些什么。杨是这篇文章的主要作者。他说，这篇“路线图”文章不仅是为研究CAM的科学家准备的，也是为更广泛的受众准备的，向他们介绍这项研究。作者还讨论了如何将现有的CAM植物开发成主要作物。
对CAM植物的研究是国际社会为识别并最终工程化能够使植物更耐旱的遗传性状而做出的更广泛努力的一部分。在发表在期刊《植物细胞》上个月的一项研究中，韩国首尔国立大学的研究人员在模式植物拟南芥中发现了一种重要的转录因子（NAC016），可以促进干旱胁迫反应。根据该研究的主要作者Nam-Chon Paek的说法，这些发现可以为了解如何通过传统育种或生物技术开发耐旱植物提供见解。
本周早些时候，堪萨斯州立大学的研究人员发表了一项研究，表明识别与适应相关的特定基因组特征可以预测不同品种的高粱如何对干旱等环境压力做出反应。
堪萨斯州立大学农学助理教授兼该研究的主要作者杰弗里·莫里斯（Geoffrey Morris）说：“这种方法使我们能够查看作物基因库中的品种，并说‘嘿，这个品种中有些有用的东西’。”
他说，该研究并未将植物遗传学与特定性状联系起来；相反，该方法基于地理位置与某些基因组标记之间的关联。
莫里斯说：“我们正在关注的是近期用途。大多数作物遗传实验室都可以利用这一点，”他补充说，对CAM工程的研究更加专业，可能需要多年才能完成。
虽然CAM研究人员不能确定在C3或C4植物中开发CAM途径需要多长时间，但杨说，至少在概念上，他们的方法是最好的。
进化发挥了作用
他说：“进化已经给了我们答案：CAM的进化是为了达到最高的[水]效率。”
他说，与其他在干旱时期生长更深的根系或枯死的植物不同，CAM物种有一种像骆驼一样节约用水的方法。
杨和他的同事们并非试图制造一种能够像CAM植物一样始终固定碳的C3植物。相反，他们计划创造一种C3杂交体，如果在暴露于干旱或高盐度条件下，这种杂交体将能够切换到更节水的代谢方式。或者，正如报告的共同作者约翰·库什曼（John Cushman）所说的那样，他们想制造一种可以“按需使用CAM”的植物。
研究人员正专注于创造一种与C3植物的杂交体，因为根据内华达大学雷诺分校生物化学和分子生物学系的教授、为期五年研究项目的一部分库什曼的说法，CAM植物在1000万到3000万年前从它们进化而来。他说，在此之前，还需要进行大量的研究。
他说：“这些途径非常复杂；在对蓝图有充分的了解之前，您不希望重新设计任何东西。这些途径的进化方式，涉及一组协调一致的基因……我们认为仅仅做一些边缘的改变是不够的。”
到目前为止，还不清楚有多少基因参与了CAM。杨说，虽然向植物物种添加新的代谢途径将是一个复杂的过程，但CAM植物确实与C3和C4植物共享许多分子成分和基因，这可能有助于促进这一过程。
乐观的一个原因是，这些具有双重能力的植物已经存在于自然界中。Clusia pratensis是一种被称为兼性CAM的植物。在正常降雨的情况下，这种巴拿马植物会在白天像C3植物一样吸收二氧化碳，但在干旱时期，它开始在夜间吸收二氧化碳。
杨说：“这是自然界中（C3和CAM）可以共存于一种植物中的完美例子。该物种有点神奇。”
Clusia pratensis并不是唯一的兼性CAM植物。库什曼研究Mesembryanthemum crystallinum，也称为普通冰叶。研究有助于揭示CAM中招募的基因，尽管这种方法可能在不同物种之间并不统一。
理想情况下，在CAM工程中使用最好的C3植物应该是已经有完全测序的基因组、可以很容易地转化、会对粮食或生物燃料生产产生重大影响并且目前无法在干旱地区繁荣生长的植物。
在能源部拨款的剩余两年中，研究人员将努力将CAM转移到模式植物拟南芥和杨树中。
库什曼说：“我们将从小处着手，从核心代谢开始，然后向外发展。”
报告的作者写道，最终，如果他们成功地将CAM转移到C3植物中，研究人员也可能会将CAM添加到玉米和高粱等C4植物中，以提高它们的用水效率。
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