新发现的基因能增强植物光合作用 提高植株高度

杨树中的 BOOSTER 基因可促进光合作用和生物量，具有提高作物产量的潜在应用价值。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校先进生物能源和生物产品创新中心的研究人员与橡树岭国家实验室生物能源创新中心合作，在杨树中发现了一种基因，它可以改善光合作用并增加树高。

一组科学家在杨树中发现了一种天然存在的基因，这种基因可以增强光合作用并显著促进植物生长。这种名为 Booster 的基因包含两种与杨树相关的生物的 DNA，以及一种对光合作用至关重要的蛋白质 Rubisco。图片来源：Andy Sproles，ORNL/美国能源部

叶绿体是容纳光合作用装置的主要细胞结构，将光能转化为促进植物生长的化学能。具体来说，Rubisco 蛋白可以从大气中捕获二氧化碳。多年来，科学家一直在研究如何提高植物体内 Rubisco 的含量，以提高作物产量和吸收大气中的二氧化碳。

“从历史上看，许多研究都集中在稳态光合作用上，即所有条件都保持不变。然而，这并不代表光照随时变化的田间环境，”伊利诺伊州综合生物学助理教授 Steven Burgess 说。“在过去几年中，这些动态过程被认为更为重要，但人们对此了解甚少。”

从左至右，ORNL 的 Biruk Feyissa 拿着一棵 5 个月大的杨树，该树表达了高水平的 BOOSTER 基因，而同事 Wellington Muchero 拿着一棵同龄的树，该树的基因表达较低。图片来源：Genevieve Martin/ORNL，美国能源部

在这项新研究中，研究人员专注于杨树，因为它是一种快速生长的作物，也是制造生物燃料和生物产品的主要候选者。他们在户外研究地块中采集了约 1000 棵树的样本，并分析了它们的物理特性和基因组成，以进行全基因组关联研究。该团队利用 GWAS 群体寻找与光合猝灭有关的候选基因，光合猝灭是一种调节植物在阳光和阴影之间调整速度的过程，并消散过多阳光带来的多余能量以避免损害。

其中一个基因被研究人员命名为 BOOSTER，它很不寻常，因为它是杨树独有的，虽然它在核基因组中，但包含一个源自叶绿体的序列。

该团队发现，这种基因能够增加 Rubisco 含量和随后的光合活性，从而导致在温室条件下生长的极地植物更高。在田间条件下，科学家发现 BOOSTER 表达水平较高的基因型植物可长高 37%，从而增加单株植物的生物量。研究小组还将 BOOSTER 插入另一种植物，即拟南芥或拟南芥，结果增加了生物量和种子产量。这一发现表明 BOOSTER 具有更广泛的适用性，有可能提高其他植物的产量。

“这是一个令人兴奋的第一步，虽然这些都是小规模实验，还有很多工作要做，但如果我们能够大规模复制结果，这种基因有可能增加农作物的生物量产量，”Burgess 说。

研究的下一步可能包括在其他生物能源和食品植物中进行测试，研究人员将记录不同生长条件下的植物生产力，以分析长期成功率。他们还将研究 GWAS 研究中发现的其他可能有助于农作物改良的基因。

编译自/scitechdaily