叶绿素在光合作用中起着关键作用，这就是为什么植物进化出叶子中叶绿素含量很高的原因。然而，制造这种色素的成本很高，因为植物将很大一部分可用氮投入到叶绿素和与其结合的特殊蛋白质中。因此，氮气无法用于其他过程。在一项新的研究中，研究人员降低了叶子中的叶绿素水平，看看植物是否会将节省的氮投入到其他可能提高营养质量的过程中。
在过去的几十年里，研究人员一直在努力提高农作物产量，以满足全球粮食需求。他们面临的最大挑战之一是提高农作物的光合作用效率。
当光照射到叶子上时，可能会发生以下三种情况之一：叶子可以吸收光进行光合作用，叶子可以将光反射回大气中，或者光可以穿过叶子。不幸的是，尽管一片完全绿色的叶子吸收了超过 90% 的光线，但叶子并没有将其全部用于光合作用。
“我们以非常高的密度种植农作物。因此，虽然冠层顶部的叶子有更多的光线，但它们无法全部利用，而且下面的层也缺乏光线。”综合生物学教授 Don Ort(GEGC 领导者/CABBI/BSD)说道。“我们的理由是减少树冠顶部的叶绿素含量，以便更多的光线可以穿透并在树冠下部更有效地利用。”
在当前的研究中，研究人员对烟草植物进行了改造，使其随着作物冠层生长的更加茂密而具有较低的叶绿素水平。
奥尔特说：“之前的模型表明，如果在形成茂密的树冠之前叶绿素水平较低，就会对植物生长不利。” “我们希望采用具有完整冠层的植物，并确保顶部添加的新叶子具有较低的叶绿素水平。”
为此，研究人员使用了干扰叶绿素合成关键步骤的小 RNA。这些小RNA的产生受到诱导型启动子的控制，启动子是一段对特定信号做出反应并指导细胞产生RNA的DNA。
在这项研究中，研究人员使用了乙醇诱导型启动子。当他们用乙醇喷洒叶子时，产生的小 RNA 干扰了叶绿素的合成，形成了浅绿色的树冠。
“我们发现，即使叶绿素合成减少 70%，生长也不会受到抑制，”Ort 实验室的博士后研究员、该研究的主要作者 Young Cho 说。“虽然我们在理论上预测了这个结果，但观察到这些淡绿色或黄色植物正常生长还是令人惊讶，因为这种变色通常表明植物患病。”
研究人员还假设，减少叶绿素的量会影响植物生长的其他方面，因为它会释放用于制造色素和相关蛋白质的氮。当他们发现控制干扰小RNA的乙醇诱导型启动子被激活的植物中，种子氮浓度高出17%，结果证明他们是正确的。
“我们还预计产量会增加，因为当你让更多的光线进入树冠时，你会期望它能得到更有效的利用，”奥特说。“然而，我们没有检测到增加，这可能意味着植物没有投入足够的额外氮来提高树冠下部的光合作用能力。这一结果给了我们另一个工程目标。”
在未来的工作中，研究人员将测试他们是否可以使用光诱导启动子获得类似的结果，农民会发现光诱导启动子更容易使用。“乙醇诱导启动子是非常方便且重要的研究工具。然而，农民不想用乙醇喷洒整个田地，因此我们需要研究其他对光的强度或颜色做出反应的启动子，”Ort 说。
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