在赞比亚，豆类是一种重要的豆类作物，该国60%的人口生活在贫困之中，超过35万人面临粮食不安全。不幸的是，这个非洲国家的大豆生产受到疾病、昆虫、土壤肥力低和干旱的严重限制。国家每年每公顷300到500公斤的大豆产量减少了200多万磅。

大卫克雷默，密歇根州立大学(BOB体育密歇根州立大学汉娜光合作用和生物能学杰出教授，2016年查尔斯·f·凯特林奖光合作用领域的杰出获得者，他说，像赞比亚这样的国家(人类贫困指数在184个国家中排名164)，传统植物育种不能等待数年。

他说:“迫切需要开发高产、强劲和可持续的豆类作物，随着气候变化连续每个季节继续对农业系统和植物生产产生负面影响，这种紧迫性只会越来越大。”“简而言之，我们需要考虑以新的方式改进豆类，我们需要工具来大幅加速这一过程。”

Kramer和赞比亚大学的同事Kelvin Kamfwa在一个由密歇根州立大学管理的“喂养未来豆类创新实验室”资助的为期三年的项目中合作，以加速提高光合作用的稳健性和效率。他们首先确定了限制非洲植物改良的障碍，并与密歇根州立大学先进藻类和植物表型中心(CAAPP，由克雷默管理)开发新技术来克服它们。

限制作物生产力的一个因素是光合作用——植物捕捉太阳能以产生食物和能量以供生长和发育的过程。最终，任何产量的增加都直接或间接地取决于光合作用。赞比亚的光合效率低，对生物和非生物胁迫高度敏感，严重限制了豆类作物的生产。

Kamfwa说:“植物育种家在针对某些特性方面非常有效，比如抗病或植物结构，但我们真的还没有触及光合作用的核心过程。”

这意味着，在过去的一个世纪里，输入到植物中的太阳能保持不变，在某些情况下甚至减少了。但是提高光合作用还有其他原因。

克雷默说:“光合作用除了对植物能量的重要性外，还是探测植物健康状况的极好方法。”“光合作用必须得到很好的控制，以避免产生有毒的副产品，特别是当植物受到环境压力时。因此，通过测量光合作用反应，可以了解到许多关于植物健康状况的信息。它就像一扇通往植物运作的窗户。”

克雷默的实验室开发了一系列新工具，可以测量田间活的植物，并实时测量光合作用。通过使用这些工具，他们发现了一些信号，这些信号可以用来表明光合作用的效率，植物是否有生产力，或者是否处于压力之下，失去能量或受到破坏。

但克雷默认为，这项新兴技术可以做得更好。

克莱默说:“为了绘制基因图谱，我们可以培育出更好的植物。”“我们需要观察许多植物在不同条件下的光合作用，然后分析数据。植物对环境特别敏感，因此必须在实际生长条件下进行测量。这是一项浩大的工程。”

光合作用项目利用了两种新的表型技术密歇根州立大学．其中之一是PhotosynQ该平台使世界各地的研究人员、农民和bob体育登录推广人员能够获得复杂但非常便宜和易于使用的仪器来测量与光合作用有关的反应。这种可现场部署的手持传感器网络以及相关的在线通信和分析工具使研究人员和农民能够进行植物表型实验，分析数据并共享结果，并在当地和全球范围内改进育种和管理。bob体育登录

克雷默植物研究实验室的博士后Dan TerAvest说:“有了这些工具，我们现在能够在自然条件下监测多种环境下作物的许多光合作用反应。”bob体育登录“在开发更强的种质资源时，我们需要获得的测量方法之一是光合作用调节。”

第二个平台被称为动态环境表型成像仪(DEPI)，它在特殊的室内模拟现场条件，这样克雷默实验室的复杂成像传感器就可以探测无数植物的过程和特性。例如，DEPI可以测量光合作用、生长等对特定天气条件的敏感性。

开发DEPI和PhotosynQ平台是这个项目的主要部分。随着这些技术的可用，它们的分发、培训和使用现在已经转移到最前沿。提高光合作用的稳健性和效率，加快改良籽粒豆科植物和种质的育种工作，这一目标有望很快实现。

Kramer的团队已经向Kamfwa的团队提供了6台手持PhotosynQ MultispeQ设备，以启动该项目的首次现场试验。他们将研究一种普通豆类植物的基因平台，这种植物在赞比亚的环境压力下表现更好，寻找更具弹性和生产力的性状。

克雷默说:“植物育种的关键限制因素是决定表型，也就是说，特定性状在田间的表现水平。”“我们开发的技术决定了哪些表型对产量的好坏有影响。我们可以绘制基因图谱，但我们不知道基因有什么功能。MultiSpeQ和PhotosynQ可以告诉我们这一点，Kelvin正在赞比亚使用这项技术，作为他工作的一部分，以提高大豆种质资源的产量。”

利用MultispeQ和PhotosynQ, Kamfwa和他在赞比亚的团队开始开发快速的大豆表型协议。Kamfwa的本科生和研究生正在使用PhotosynQ平台寻找基因，使光合作用在该地区经历的农业限制的组合下更有效地发挥作用，包括干旱(和缺乏灌溉)、土壤养分不足(以及非洲化肥的高成本)和各种疾病。

同时在东兰辛，密歇根州立大学研究生Isaac Osei-Bonsu和DongHee Hoh正在使用DEPI和PhotosynQ平台来确定使豆类和豇豆在极端温度变化下表现更好的因素，这是这些作物在全球范围内的主要障碍。

最终，技术结果将确定哪些豇豆和大豆系最有希望用于育种种质资源，以在赞比亚实现最佳的谷物豆类产量。

克雷默最近刚刚在马拉维的三个不同的研究站扩展了这个技术网络，马拉维农业研究服务部的六名研究人员正在为15个不同的项目收集数据，这些项目涉及各种植物和种植系统的研究。bob体育登录