新發現的基因能增強植物光合作用提高植株高度
楊樹中的BOOSTER 基因可促進光合作用和生物量,具有提高作物產量的潛在應用價值。伊利諾大學厄巴納-香檳分校先進生物能源和生物產品創新中心的研究人員與橡樹嶺國家實驗室生物能源創新中心合作,在楊樹中發現了一種基因,它可以改善光合作用並增加樹高。

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
葉綠體是容納光合作用裝置的主要細胞結構,將光能轉化為促進植物生長的化學能。具體來說,Rubisco 蛋白可以從大氣中捕獲二氧化碳。多年來,科學家一直在研究如何提高植物體內Rubisco 的含量,以提高作物產量和吸收大氣中的二氧化碳。
「從歷史上看,許多研究都集中在穩態光合作用上,即所有條件都保持不變。然而,這並不代表光照隨時變化的田間環境,」伊利諾伊州綜合生物學助理教授Steven Burgess 說。 “在過去幾年中,這些動態過程被認為更為重要,但人們對此了解甚少。”

從左到右,ORNL 的Biruk Feyissa 拿著一棵5 個月大的楊樹,該樹表達了高水平的BOOSTER 基因,而同事Wellington Muchero 拿著一棵同齡的樹,該樹的基因表達較低。圖片來源:Genevieve Martin/ORNL,美國能源部
在這項新研究中,研究人員專注於楊樹,因為它是一種快速生長的作物,也是製造生物燃料和生物產品的主要候選者。他們在戶外研究地塊中採集了約1000 棵樹的樣本,並分析了它們的物理特性和基因組成,以進行全基因組關聯研究。團隊利用GWAS 群體尋找與光合猝滅相關的候選基因,光合猝滅是一種調節植物在陽光和陰影之間調整速度的過程,並消散過多陽光帶來的多餘能量以避免損害。
其中一個基因被研究人員命名為BOOSTER,它很不尋常,因為它是楊樹獨有的,雖然它在核基因組中,但包含一個源自葉綠體的序列。
團隊發現,這種基因能夠增加Rubisco 含量和隨後的光合活性,導致在溫室條件下生長的極地植物更高。在田間條件下,科學家發現BOOSTER 表現量較高的基因型植物可長高37%,增加單株植物的生物量。研究小組還將BOOSTER 插入另一種植物,即擬南芥或擬南芥,結果增加了生物量和種子產量。這項發現表明BOOSTER 具有更廣泛的適用性,有可能提高其他植物的產量。
「這是一個令人興奮的第一步,雖然這些都是小規模實驗,還有很多工作要做,但如果我們能夠大規模複製結果,這種基因有可能增加農作物的生物量產量,」Burgess說。
研究的下一步可能包括在其他生物能源和食品植物中進行測試,研究人員將記錄不同生長條件下的植物生產力,以分析長期成功率。他們還將研究GWAS 研究中發現的其他可能有助於農作物改良的基因。
編譯自/ scitechdaily