新發現基因可提升光合作用效率與植物生產力

生物學家在加州白楊樹（Populus trichocarpa）中鑑定出一個名為「增強器」（BOOSTER）的新基因，它能增強光合作用，還可促進樹木增高。

在溫室條件下，BSTR表達水平增加的轉基因雜交白楊，其光合作用效率和生物量都有所提升。（圖片出處：Feyissa等人，doi: 10.1016/j.devcel.2024.11.002）

共同資深作者、伊利諾大學香檳分校的研究員史蒂文·伯吉斯博士表示：「歷史上，很多研究都聚焦於穩態光合作用，也就是所有條件都保持恆定的情況。」

「然而，這並不能代表野外環境，在野外，光照時刻都在變化。」

「在過去幾年，這些動態過程被認為更為重要，但目前對它們的瞭解還不夠深入。」

在這項新研究中，伯吉斯博士及其同事把重點放在白楊樹上，畢竟白楊樹生長速度快，是製造生物燃料和生物製品的首選作物。

他們在戶外研究區域採集了大約1000棵樹的樣本，分析了它們的物理特徵和基因組成，以進行全基因組關聯研究（GWAS）。

他們利用GWAS群體尋找與光合淬滅有關的候選基因。光合淬滅是一個調節植物在陽光和陰影之間快速適應，以及消散過多陽光帶來的多餘能量以避免受損的過程。

其中一個名為「增強器」（BSTR）的基因很不尋常，它是白楊樹特有的基因，而且雖然它位於核基因組中，但包含一段源自葉綠體的序列。

研究作者稱：「我們發現，這個基因能增加核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）的含量，以及隨後的光合活性，在溫室條件下培育時，能讓白楊植株長得更高。」

「在野外條件下，他們發現，BOOSTER表達水平更高的基因型植株，高度最多可增加37%，單株生物量也有所增加。」

研究人員還將BOOSTER基因植入模式植物擬南芥中，結果發現擬南芥的生物量和種子產量都有所增加。

這一發現表明，BOOSTER基因有更廣泛的應用前景，有可能促使其他植物提高產量。

伯吉斯博士表示：「這是令人振奮的第一步，儘管目前只是小規模實驗，未來還有很多工作要做。如果我們能大規模重現這些結果，這個基因就有潛力提高作物的生物量產量。」

「未來的研究方向可能包括在其他生物能源作物和食用作物上進行測試，記錄不同生長條件下的植物生產力，以分析長期效果。」

「我們也將研究在GWAS研究中鑑定出的其他基因，它們可能有助於作物改良。」

這些研究成果本週發表在《發育細胞》期刊上。

Biruk A. Feyissa等人的研究「一個孤兒基因BOOSTER增強光合作用效率和植物生產力」於2024年12月3日線上發表；doi: 10.1016/j.devcel.2024.11.002