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在植物生物學模型生物擬南芥中，單個基因的改變已被發現可以促進更快生長和更大的根系系統——這種應用可以幫助研究人員培育更大、更好的作物，從而能夠固存更多的大氣碳。該基因及其運作方式在11月11日出版的《細胞》雜誌上進行了描述。
更大的根系系統意味著可以埋藏更多的氣候變暖碳，因為植物利用大氣碳來構建根系。碳可以從根部轉移到土壤中，在那裡它可以保留數千年。
經過基因工程改造以擁有更大根系系統的植物還可以幫助解決糧食短缺問題，並有助於在更溫暖、更乾燥的氣候中種植作物的努力。有證據表明，根系較大的植物更耐旱。
生物燃料產業也可能從中受益。更快生長的根系系統可以使新的植物更快地紮根，包括多年生草，如柳枝稷和芒草，它們被認為是下一代生物燃料的可行原料。
“例如，對於柳枝稷，通常你不能收穫第一年的作物，因為它需要很長時間才能建立根系系統，”研究作者、杜克大學生物學教授、杜克大學基因組科學與政策中心繫統生物學中心主任菲利普·本菲說。他補充說，如果植物基因工程可以縮短等待時間，“那將對農民來說是一個巨大的福音”。
植物組織生長是一個複雜的過程，涉及許多遺傳因素。但是，當本菲的研究小組著手辨別哪些因素對根系發育影響最大時，他們對從哪裡開始尋找有了一個很好的想法。在擬南芥中，就像在大多數植物中一樣，在靠近根尖的特定區域，幹細胞從增殖階段過渡到分化成特定組織型別的階段。在這個區域中，細胞從快速分裂的狀態轉變為透過伸長來大幅增加其體積的狀態——分化的第一階段。“我們知道這個位置存在，但我們不知道這個過程是如何被控制的，”本菲說。
基於先前的工作，研究人員有理由認為它是由轉錄因子控制的——轉錄因子是透過在特定位置與 DNA 結合以誘導（或阻止）資訊從 DNA 轉錄到 RNA 來控制某些基因表達的蛋白質。同樣來自先前的工作，他們知道在過渡區內表達高於細胞其他位置的基因（表明它們正在為此特定目的“開啟”）。“我們專注於在過渡期開始時立即開啟的基因，”本菲說，“在這些基因中，我們專注於轉錄因子。”
透過研究這些轉錄因子的基因被選擇性敲除的擬南芥植物，該小組鑑定出一種單一的轉錄因子，當其失活時會導致更長的根。他們將編碼它的基因命名為UPBEAT1 (UPB1)。進一步的研究表明，UPB1調節三個基因（稱為過氧化物酶）的表達，這些基因本身控制著根中兩種化學物質——過氧化氫和超氧化物——的分佈。這兩種化合物之間的精確平衡控制著從細胞增殖到分化的轉變。“看來UPB1是這個過程的一個非常關鍵的調節器，”本菲說。
本菲指出，這些更大、更快生長的植物不是插入新基因的結果，而是UPB1正常活動減少的結果。“我們這裡不是在談論轉基因植物，”他說。實際上，這意味著它們不會受到管理轉基因植物使用的廣泛法規的約束，因此投入田間種植的成本會低得多。
然而，實際應用仍有幾個步驟要走。首要任務之一是看看這一發現是否可以應用於除擬南芥以外的其他作物。
本菲對此充滿信心。他的公司GrassRoots 生物技術公司已獲得UPB1的專利，並計劃利用它進一步探索根系發育，目標是生產更先進的生物燃料作物。他認為UPB1是“可能幾個”具有類似功能的基因中的第一個。“當我們很好地理解它們並能夠控制它們時，我們應該能夠調節根系活動，”就像現代農業成功地改變了地上活動一樣，他說。