一个由两个能源部生物能源研究中心的科学家组成的团队；橡树岭国家生物能源创新中心，简称CBI伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的国家实验室和先进生物能源和生物产品创新中心（CABBI）；在一棵杨树中发现了一种基因，它能增强光合作用，使树高增加1倍田间约30%温室则高达200%
科学家们将这种基因命名为“助推器”（Booster），它还增加了另一种植物——拟南芥（Arabidopsis）的生物量，这表明，如果在更大范围内成功，其他作物的产量可能会更高。
在白杨（Populus trichocarpa）或黑棉杨树中发现了助推器，这是一种从墨西哥下加利福尼亚州到加拿大北部茁壮成长的物种。这种树被认为是制造生物燃料和生物产品的主要原料。
“助推器”是一种嵌合基因，它包含了三个最初分离的基因序列，并且在进化过程中以最小的变化保存在杨树中。该基因在光合作用中起着重要作用，光合作用是植物将阳光、二氧化碳和水转化为葡萄糖的过程。纤维素、淀粉和其他与食物和燃料生产有关的大分子的组成部分。
嵌合基因具有独特的起源，并被认为能够实现有助于植物适应新环境的进化变化。在“助推器”的案例中，ORNL团队确定它包含三种不同的DNA来源。其中一部分来自杨树根系中的细菌；其中一个片段来自一只蚂蚁，它正在种植一种已知会感染杨树的真菌；其中一个片段来自Rubisco的大亚基，Rubisco是一种在植物叶绿体中发现的丰富蛋白质。
叶绿体是容纳光合作用装置的主要细胞结构，光合作用装置将光能转化为促进植物生长的化学能。Rubisco蛋白作为植物的“碳捕获器”，从大气中捕获二氧化碳。多年来，科学家们一直在研究提高植物中Rubisco含量的方法，以提高作物产量和吸收大气中的二氧化碳。
正如《发育细胞》杂志所描述的那样，当研究人员创造出具有更多Booster基因表达的杨树时，它们的Rubisco含量和随后的光合作用活性飙升，导致植物在温室条件下生长时高了200%。这些树的Rubisco含量增加了62%，净叶片二氧化碳吸收量增加了约25%。在田间条件下，科学家们发现，Booster基因的高表达使杨树长高37%，茎体积增加88%，每株生物量增加。
科学家将“助推器”植入另一种植物——拟南芥（Arabidopsis），结果使生物量增加了类似的幅度，种子产量增加了50%。这一发现表明，Booster具有更广泛的适用性，可以在其他植物中引发更高的产量。
杨树和拟南芥被称为C3植物，这一类别包括大豆、水稻、小麦和燕麦等主要粮食作物。增强型基因有可能在不需要更多土地、水或肥料的情况下提高生物能源作物的产量，从而支持强劲的生物经济。如果“助推器”在粮食作物上也有类似的效果，那么更高的产量可能会减少世界各地的粮食短缺。
“从对光合作用和植物生产力的巨大刺激来看，这一发现可能会改变游戏规则，”Stephen Long说，他是植物光合作用的主要权威，也是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的教授，也是伊利诺伊州领导的CABBI的合著者。“虽然我们需要进行更广泛的测试，以确保我们可以大规模地重现结果，但它在一种完全不相关的植物上起作用的事实表明，它可以在更广泛的植物上起作用。”
Long说，研究的下一步可能包括杨树和其他生物能源和粮食植物的多地点田间试验，研究人员在不同的生长条件下记录植物的生产力，以分析长期的成功。
这一发现是美国能源部两个中心合作的结果，科学家们专注于开发改进的生物能源原料工厂，以及将植物加工成先进燃料和产品的有效方法。
在ornl领导的CBI，科学家们多年来一直在研究杨树，将其作为一种快速生长的、用于原料生产的非食用多年生作物。他们从1500棵野生杨树中取样，分析了它们的物理特征和基因组成，进行了第一次全基因组关联研究（GWAS）。GWAS是第一个也是最大的同类项目之一，它确定了超过2800万个作为生物标记的单核苷酸多态性，帮助科学家定位与某些性状（如植物生长）相关的基因；碳、氮、木质素含量；以及植物利用水的效率。
来自CBI和CABBI的科学家利用GWAS种群寻找两个与光合作用猝灭有关的候选基因，光合作用猝灭是一个调节植物在阳光和阴影之间调节的速度，并消散过多阳光产生的多余能量以避免损害的过程。CABBI的科学家们利用他们开发的筛选技术，在加利福尼亚州戴维斯的试验园内对杨树进行了快速表型分析。最初的筛选并没有立即发现他们正在寻找的基因。但对其中一个候选基因的进一步分子分析结果是Booster，它影响CABBI预测的对改善光合作用至关重要的两个基因。
这项研究得到了CBI和CABBI的支持，这两家公司都是由美国能源部科学、生物和环境研究项目办公室赞助的。该项目利用ORNL先进植物表型实验室的高通量、世界领先的成像能力，能够在温室环境中快速、自动地测量表达助推器基因的杨树叶片大小的变化。全基因组测序和其他RNA分析由联合基因组研究所（JGI）进行，该研究所是美国能源部科学办公室在劳伦斯伯克利国家实验室的一个用户设施。该项目使用了橡树岭领导计算设施的高性能计算资源，橡树岭领导计算设施是ORNL的美国能源部科学办公室用户设施。
ORNL的Biruk Feyissa领导了该基因的分子分析，是该论文的第一作者，他说：“像Booster这样的保守嵌合基因通常被认为是无功能的、进化的产物，不再影响植物的生长过程。”“但在这里，我们证明了恰恰相反。我们的分子和生理验证证实，Booster增强了光合作用，使植物在稳定和波动的光线条件下表现更好。”
“这一发现开辟了科学思维的新途径，”图斯坎说。“我们倾向于认为光合作用是一个难以改进的过程。但事实上，围绕光合作用的分子机制随着植物适应环境而不断进化。在这种情况下，DNA与相关生物体的交换从根本上改变了生物过程。”
参与该项目的其他科学家包括CABBI和伊利诺斯州Carl R. Woese基因组生物学研究所的联合负责人Steven Burgess；联合领导Jay Chen， ORNL植物系统生物学组组长；CBI/ORNL的Jin Zhang、Timothy Yates、Kuntal De、Sara Jawdy、Dana Carper、David Weston、Paul Abraham和Jennifer Morrell-Falvey；伊利诺伊州CABBI的Elsa de Becker和Coralie Salesse-Smith；CBI/ Georgia大学的Margot SS Chen和chung - rui Tsai；加州大学戴维斯分校CBI的盖尔·泰勒；布鲁克海文国家实验室的孟Xie；密苏里大学的Dhananjay Gotarkar；JGI/劳伦斯伯克利国家实验室的Kerrie Barry；以及JGI和HudsonAlpha的Jeremy Schmutz。这篇论文是为了纪念项目联合负责人、前ORNL植物科学家和遗传学家Wellington Muchero。
