在美国农民定居中部并耕种作物之前,大草原茂密的根系中生长着高强茎梗的柳枝稷(Panicum virgatum),这种牧草丰富了土壤,创造了数百万英亩的农田。如今,科学家们正在探索柳枝稷如何丰富国家生物燃料供给,而目前该领域由玉米主导,玉米易转化为生物燃料,且能满足食物、饲料和工业需求。
种植柳枝稷具有诸多优势:它是一种适应美国广泛土地和多种气候的本土作物,易于维护,无需像玉米那样每年重新播种;相对抗病且能抵御极端天气;可使用商业化干草设备进行种植和收获。然而,柳枝稷细胞壁中坚硬的木质纤维素转化为乙醇(汽油添加剂,美国最常见的生物燃料)比玉米淀粉转化更为困难。因此,以往研究主要集中在如何高效处理生物炼制阶段的柳枝稷。
由美国能源部领导的国家实验室和大学研究团队首次在具有一定生产规模的地块上混合种植不同遗传品种的柳枝稷,假设这可通过延长生长季、区分植株大小来增加产量,并潜在地减少作物对气候变化的脆弱性。长达七年的研究成果发表在《全球变化生物学——生物能源》上。陆地生态学家高级专家Julie Jastrow表示:“该项目涉及生物能源研究的生态组成问题,即如何在一个地域维持产出,同时最大限度减少化肥和农药的使用。”
从农民角度看,柳枝稷的好处易被忽略。长期选育的商业作物如玉米产量大、适应性强、收割高效。而柳枝稷是一种主要用于饲料和土壤修复的野生草,成熟慢,需三四年才能达到最具生产力的产量,因为前期需储存能量构建强大根系,但后期对水肥需求减少。研究团队选取更易加工成乙醇的品种,试图提高生产效率。Jastrow指出:“柳枝稷广泛分布,存在遗传多样性。南方品种个头高、茎叶大但不茂盛;北方品种个头矮但茎更多。”茎是生产生物燃料最主要的木质纤维素来源,品种差异也与生长季日照量和温度有关。
2008年,团队在伊利诺斯东北部种植了13亩柳枝稷。2014年,他们在三个不同地理位置单独种植了3种不同遗传类型的柳枝稷,并进行了混合种植,以测试遗传变异促进生长的理论。从第二年起,每个地块的柳枝稷由当地农民收割并称重测定产量。堪萨斯州立大学作物遗传学助理教授Geoff Morris表示:“这是牧场试验,我们的目标是使结果尽可能转移至真实生产系统。”尽管未正式研究作物产出与极端天气的关系,记录仍显示:混合品种连续生产的产量等于或大于表现最好的单个品种。Jastrow总结道:“至少从参数研究看,通过种植混合品种增加遗传多样性,是建立和维持作物最高总产的最快方法。”