由于气候变化造成的作物损害，以及全球人口和营养需求的增长，很明显，未来世界需要生产更多的食物。长期以来，研究人员一直在研究如何通过传统育种和基因改造等方式帮助植物抵抗害虫和干旱等环境压力。但关于植物究竟如何与环境相互作用，以及科学家如何修改这些过程以帮助它们适应环境，仍然存在许多问题。
德国网络生物学研究所的研究人员及其同事可能已经找到了一种方法来提供帮助。他们在7月初在《自然》杂志上发表了一项研究，表明植物与环境的交流方式比之前认为的要复杂得多。调查显示，在一种植物属中，由激素驱动的信息处理网络是由2000多种蛋白质相互作用进行的，其中数百种是以前没有被发现的。“我们需要第二次绿色革命，”多伦多大学的植物生物学家雪莱·伦巴（Shelley Lumba）说，她没有参与这项研究。“这些将是很好的测试线索。”
与大部分发育在子宫内完成的动物不同，植物在整个生命周期中都保持相对的灵活性。感觉蛋白会检测不断变化的环境条件，然后利用激素来导致植物相应地改变其行为或生理机能。许多途径都已广为人知：例如，激素ABA通过指导一系列特定的蛋白质执行细胞功能，告诉植物在干旱期间关闭气孔并节约水分。
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然而，这些激素网络的灵活性正是使它们难以进行基因改造或工程化以应对气候变化的原因。市场上大多数基因改造的农作物是通过将细菌的基因添加到植物的基因组中制成的——例如，使其能够抵抗除草剂或杀虫剂。尽管使用新的基因组编辑技术操纵蛋白质相对容易，“但你通常会把植物搞砸，”特拉维夫大学的植物生物学家艾隆·沙尼（Eilon Shani）说。
为了培育出能够抵抗环境压力的作物，研究人员依赖于利用植物之间天然存在的遗传多样性的传统育种技术。例如，他们通过这种方式培育出了能够产生高水平ABA的小麦品种。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的作物科学家马修·哈德森（Matthew Hudson）说，近年来，这种育种变得越来越困难。一方面，许多国家已经开始禁止出口具有有用特性的种子，以将其作为自然资源加以保护。
包括CRISPR/Cas9基因组编辑在内的新技术可以使基因改造相对简单。然而，希望调整植物基因的科学家必须首先知道他们在寻找什么。关注系统而不是单个基因可能会被证明是有用的。例如，为了激活对昆虫的防御，植物可能必须关闭另一条激素通路，例如生长或水分保持。
“植物生理学存在许多基本的权衡，我们知道它们存在，但它们没有以定量的方式进行描述，”哈德森说。他说，像《自然》杂志上的研究这样的研究可以帮助科学家开发计算模型，从而揭示如何通过基因工程来理解和调整这些通路。“这显然是下一代的研究，”哈德森说。
让植物更灵活可能比赋予它们特定的性状更重要。“激素允许反应发生，”伦巴说。“它们不是在指示；它们允许读取环境刺激。”
伦巴正在研究帮助某些植物迅速重新占领被森林大火夷为平地的地区的激素机制。当这些“火的追随者”感知到燃烧物质释放的化学物质时，它们会释放一种称为生长素的激素，从而引发萌发。然而，由于所有已知的植物都含有生长素以及烟雾感应蛋白，因此尚不清楚为什么大多数植物实际上没有做出反应。她说，绘制传感器和反应之间的广泛途径，可能是帮助火灾后恢复生态系统的一步。
培育能够迅速适应环境的作物将继续是一项艰巨的任务。研究信号机制的大多数植物研究人员都将重点放在拟南芥上，这是一种与卷心菜和芥菜相关的开花草本植物。拟南芥的实验室模型已经得到了非常好的表征。哈德森说，揭示玉米或水稻等作物中的整个蛋白质相互作用网络，将需要数年时间和数百万美元。
尽管研究人员一直在研究能够抵抗干旱或其他压力的转基因作物，但没有一种变异体接近商业化。“我们可以添加[传统育种植物]的转基因性状，但我们实际上并没有设计出使植物成为可行作物的微妙之处，”哈德森说。他的团队和伊利诺伊大学的其他团队正在努力开发计算机算法，以预测通过工程改造特定基因将如何影响植物的生长。对于生长缓慢的生物（包括正遭受寄生真菌威胁的核桃树）来说，这样的系统可以节省多年的观察和等待。
同样的优势也适用于非作物植物。罗格斯大学的植物生物学家黄冰茹（Bingru Huang）已经对用于高尔夫球场草坪和其他应用的草的激素信号通路进行了基因改造。她发现，增加称为细胞分裂素的激素含量并使植物对不断变化的激素水平更加敏感，使草对热和盐碱土壤的抵抗力更强。然而，黄说，激素通路的实际基因工程将是困难的。“当你改变一种激素时，其他激素也会改变，”她补充道。
最终，弄清楚植物如何与周围环境交流并适应恶劣环境可能有利于粮食供应。“我们不认为我们比自然和植物更聪明，”沙尼说。“但我们可能会帮助植物更快地适应环境，而不是等待数百万年让进化再次发挥作用。”