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在植物生物学模型生物拟南芥中，单个基因的改变已被发现可以促进更快生长和更大的根系系统——这种应用可以帮助研究人员培育更大、更好的作物，从而能够固存更多的大气碳。该基因及其运作方式在11月11日出版的《细胞》杂志上进行了描述。
更大的根系系统意味着可以埋藏更多的气候变暖碳，因为植物利用大气碳来构建根系。碳可以从根部转移到土壤中，在那里它可以保留数千年。
经过基因工程改造以拥有更大根系系统的植物还可以帮助解决粮食短缺问题，并有助于在更温暖、更干燥的气候中种植作物的努力。有证据表明，根系较大的植物更耐旱。
生物燃料产业也可能从中受益。更快生长的根系系统可以使新的植物更快地扎根，包括多年生草，如柳枝稷和芒草，它们被认为是下一代生物燃料的可行原料。
“例如，对于柳枝稷，通常你不能收获第一年的作物，因为它需要很长时间才能建立根系系统，”研究作者、杜克大学生物学教授、杜克大学基因组科学与政策中心系统生物学中心主任菲利普·本菲说。他补充说，如果植物基因工程可以缩短等待时间，“那将对农民来说是一个巨大的福音”。
植物组织生长是一个复杂的过程，涉及许多遗传因素。但是，当本菲的研究小组着手辨别哪些因素对根系发育影响最大时，他们对从哪里开始寻找有了一个很好的想法。在拟南芥中，就像在大多数植物中一样，在靠近根尖的特定区域，干细胞从增殖阶段过渡到分化成特定组织类型的阶段。在这个区域中，细胞从快速分裂的状态转变为通过伸长来大幅增加其体积的状态——分化的第一阶段。“我们知道这个位置存在，但我们不知道这个过程是如何被控制的，”本菲说。
基于先前的工作，研究人员有理由认为它是由转录因子控制的——转录因子是通过在特定位置与 DNA 结合以诱导（或阻止）信息从 DNA 转录到 RNA 来控制某些基因表达的蛋白质。同样来自先前的工作，他们知道在过渡区内表达高于细胞其他位置的基因（表明它们正在为此特定目的“开启”）。“我们专注于在过渡期开始时立即开启的基因，”本菲说，“在这些基因中，我们专注于转录因子。”
通过研究这些转录因子的基因被选择性敲除的拟南芥植物，该小组鉴定出一种单一的转录因子，当其失活时会导致更长的根。他们将编码它的基因命名为UPBEAT1 (UPB1)。进一步的研究表明，UPB1调节三个基因（称为过氧化物酶）的表达，这些基因本身控制着根中两种化学物质——过氧化氢和超氧化物——的分布。这两种化合物之间的精确平衡控制着从细胞增殖到分化的转变。“看来UPB1是这个过程的一个非常关键的调节器，”本菲说。
本菲指出，这些更大、更快生长的植物不是插入新基因的结果，而是UPB1正常活动减少的结果。“我们这里不是在谈论转基因植物，”他说。实际上，这意味着它们不会受到管理转基因植物使用的广泛法规的约束，因此投入田间种植的成本会低得多。
然而，实际应用仍有几个步骤要走。首要任务之一是看看这一发现是否可以应用于除拟南芥以外的其他作物。
本菲对此充满信心。他的公司GrassRoots 生物技术公司已获得UPB1的专利，并计划利用它进一步探索根系发育，目标是生产更先进的生物燃料作物。他认为UPB1是“可能几个”具有类似功能的基因中的第一个。“当我们很好地理解它们并能够控制它们时，我们应该能够调节根系活动，”就像现代农业成功地改变了地上活动一样，他说。