淹没在其弟兄的划船海洋中，一片玉米叶子被降级到其茎的最低梯级，六月的大部分时间下午都在高层投下的阴影中度过。
然后一阵狂风开始推动、拉动和扭曲蜡质翅膀，打开一扇窗户，让火球在 9300 万英里外翻滚。这是光合作用将阳光转化为食物的绝佳机会。不幸的是，电涌保护器的光合作用等效物——一种进化来帮助植物减轻由突然的高强度光峰值驱动的损害——在阴凉处长时间后重置缓慢。阵风消散了，叶子和它的细胞厨房可以利用的那一刻已经过去了。
一个夏天的那一分钟但错过了收获阳光的机会可能会让玉米田和那些耕种它们的人付出代价，这是他们在秋天收获的潜在收获的很大一部分。通过最近识别和测量调节电涌保护器的新基因的影响，内布拉斯加大学林肯分校的 Kasia Glowacka 及其同事可以帮助将这些产量提高 20% 以上。
这并不是要低估保护措施的重要性，它被称为非光化学猝灭 (NPQ)，只要植物吸收的前者多于光合作用，它就可以将光转化为热。毕竟，未能切断生化回路会导致超活性氧的有毒积聚，从而破坏 DNA 甚至杀死细胞。但安全措施有一个缺点：放松和恢复让吸收的光为光合作用提供燃料的速度越慢，它浪费的提供能量的光就越多。
“当你从植物细胞中的叶绿体的角度思考时，生活真的很艰难，”内布拉斯加州生物化学助理教授 Glowacka 说。“每隔几秒钟，环境就会发生变化。”
2016 年，Glowacka 为一项研究做出了贡献，该研究表明，启动三个特定基因的活性可以让烟草植物以更快的速度打开和关闭 NPQ，从而为其提供更好的保护和更有效的光合作用。反过来，这种烟草产生的叶子大了大约 20%，模拟表明可能会有更大的收益。后续研究发现，同样的技术可以在大豆中产生类似的好处——不仅对叶子，对豆类也是如此。
但烟草和大豆采用的光合作用形式不同于玉米、高粱、甘蔗和其他几种更适合炎热和干燥条件的作物——这些作物的产量必须增加才能养活预计到 2050 年全球人口将达到 100 亿。Glowacka 想知道编码一个 NPQ 活动的基因是否可能在另一个中发挥同样的作用。即使他们这样做了，Glowacka 和内布拉斯加州的 James Schnable 认为必须有其他基因帮助像 NPQ 这样复杂的过程。
他们是对的。他们的发现始于 2020 年和 2021 年夏季在田间劳作，当时该团队在林肯东北部的哈夫洛克研究农场种植了 700 多个基因不同的玉米品系。Glowacka 的计划：寻找品系之间 NPQ 性能的差异，然后尝试梳理出哪些基因最终导致了这些差异。Glowacka 知道，现有的测量 NPQ 的方法既昂贵又耗时。不仅如此，他们还努力消除每条线暴露在光线下的日常差异，这可能会破坏任何发现的有效性。
Glowacka 没有安定下来，而是发展了自己的方法。该团队使用改良的打孔器从田间每条线的叶子中提取微小样本。回到实验室后，研究人员让组织样本适应黑暗将近一天的时间，最终测量了它们暴露在闪光之前和之后的荧光——光合作用和 NPQ 的代表。该团队不是每 20 分钟测量一个样本，而是能够在同一时间段内处理 96 个样本。
研究人员发现，NPQ 反应的速度和幅度在不同品系之间差异很大，这一事实有助于简化对可能驱动玉米这种变异的任何新基因的搜索。对这些品系的遗传密码进行比较，交叉参考 NPQ 性能的差异，最终揭示了六个有希望的候选基因。其中一些候选人已经为团队所熟悉。其他人则不是——包括一个名为 PSI3 的人，它比任何其他候选人引入了更多的变化。
在确定了拟南芥(一种常用于研究植物生物学的开花植物)中这六个基因的对应物后，该团队开始订购突变体：拟南芥种子中的每一个都缺少这六个基因中的一个。在所有六个突变体中，浪涌保护器通常在灯光下反应迟缓，但在灯光熄灭时也更慢地放松。NPQ 峰值通常也较低，而谷值较高，这表明植物对浪涌的缓冲较少，并且浪费了更多可用于光合作用的光。
研究人员说，这些基因的鉴定，再加上玉米品系间天然 NPQ 变异的数量，可以为更好地利用提高产量的阳光培育植物开辟道路。施纳布尔说，在最好的情况下，这些努力可能会在短短六年内取得成果。
如果他们这样做了，结果可能会证明对作物育种者来说是一个福音，他们现在正在研究在未来几十年内排除全球粮食短缺的所有可能性。
“如果我们要加快 NPQ，我们可能会从农作物中获得 22% 的产量，”Glowacka 说。
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