葉綠素在光合作用中起著關鍵作用，這就是為什么植物進化出葉子中葉綠素含量很高的原因。然而，制造這種色素的成本很高，因為植物將很大一部分可用氮投入到葉綠素和與其結合的特殊蛋白質中。因此，氮氣無法用于其他過程。在一項新的研究中，研究人員降低了葉子中的葉綠素水平，看看植物是否會將節(jié)省的氮投入到其他可能提高營養(yǎng)質量的過程中。

在過去的幾十年里，研究人員一直在努力提高農作物產量，以滿足全球糧食需求。他們面臨的最大挑戰(zhàn)之一是提高農作物的光合作用效率。

當光照射到葉子上時，可能會發(fā)生以下三種情況之一：葉子可以吸收光進行光合作用，葉子可以將光反射回大氣中，或者光可以穿過葉子。不幸的是，盡管一片完全綠色的葉子吸收了超過 90% 的光線，但葉子并沒有將其全部用于光合作用。

“我們以非常高的密度種植農作物。因此，雖然冠層頂部的葉子有更多的光線，但它們無法全部利用，而且下面的層也缺乏光線。”綜合生物學教授 Don Ort(GEGC 領導者/CABBI/BSD)說道。“我們的理由是減少樹冠頂部的葉綠素含量，以便更多的光線可以穿透并在樹冠下部更有效地利用。”

在當前的研究中，研究人員對煙草植物進行了改造，使其隨著作物冠層生長的更加茂密而具有較低的葉綠素水平。

奧爾特說：“之前的模型表明，如果在形成茂密的樹冠之前葉綠素水平較低，就會對植物生長不利。” “我們希望采用具有完整冠層的植物，并確保頂部添加的新葉子具有較低的葉綠素水平。”

為此，研究人員使用了干擾葉綠素合成關鍵步驟的小 RNA。這些小RNA的產生受到誘導型啟動子的控制，啟動子是一段對特定信號做出反應并指導細胞產生RNA的DNA。

在這項研究中，研究人員使用了乙醇誘導型啟動子。當他們用乙醇噴灑葉子時，產生的小 RNA 干擾了葉綠素的合成，形成了淺綠色的樹冠。

“我們發(fā)現(xiàn)，即使葉綠素合成減少 70%，生長也不會受到抑制，”Ort 實驗室的博士后研究員、該研究的主要作者 Young Cho 說。“雖然我們在理論上預測了這個結果，但觀察到這些淡綠色或黃色植物正常生長還是令人驚訝，因為這種變色通常表明植物患病。”

研究人員還假設，減少葉綠素的量會影響植物生長的其他方面，因為它會釋放用于制造色素和相關蛋白質的氮。當他們發(fā)現(xiàn)控制干擾小RNA的乙醇誘導型啟動子被激活的植物中，種子氮濃度高出17%，結果證明他們是正確的。

“我們還預計產量會增加，因為當你讓更多的光線進入樹冠時，你會期望它能得到更有效的利用，”奧特說。“然而，我們沒有檢測到增加，這可能意味著植物沒有投入足夠的額外氮來提高樹冠下部的光合作用能力。這一結果給了我們另一個工程目標。”

在未來的工作中，研究人員將測試他們是否可以使用光誘導啟動子獲得類似的結果，農民會發(fā)現(xiàn)光誘導啟動子更容易使用。“乙醇誘導啟動子是非常方便且重要的研究工具。然而，農民不想用乙醇噴灑整個田地，因此我們需要研究其他對光的強度或顏色做出反應的啟動子，”Ort 說。