Översvämmat i ett roddat hav av sina bröder, tillbringar ett majsblad som förpassats till den lägsta stegen av sin stjälk en stor del av en junieftermiddag i skuggan som kastas av de högre upp.
Sedan börjar en vindpust trycka, dra och vrida de vaxartade vingarna i samverkan, och spräcka ett fönster till eldklotet som rullar 93 miljoner miles bort. Det är en utmärkt, värdefull möjlighet för fotosyntes att omvandla solljuset till mat. Tyvärr är den fotosyntetiska motsvarigheten till ett överspänningsskydd - ett som utvecklats för att hjälpa växter att lindra skador som drivs av plötsliga toppar av högintensivt ljus - långsamt att återställas efter så mycket tid i skuggan. Vindbyen försvinner, ögonblicket förbi innan lövet och dess cellkök kan dra nytta av.
En sommars värde av dessa minuter men missade möjligheter att skörda ljus kan kosta sädesfält, och de som odlar dem, en ansenlig del av de potentiella skördarna de ger på hösten. Genom att nyligen identifiera och mäta inflytandet av nya gener som reglerar överspänningsskyddet, University of Nebraska–Lincolns Kasia Glowacka och kollegor kan hjälpa till att öka dessa avkastningar med uppåt 20 %.
Vilket inte är för att tona ned vikten av skyddet, som går under namnet icke-fotokemisk släckning, eller NPQ, och kan omvandla ljus till värme närhelst en växt absorberar mer av det förra än vad den kan lägga mot fotosyntes. Ett misslyckande att bryta den biokemiska kretsen kan trots allt leda till en giftig uppbyggnad av ultrareaktivt syre som skadar DNA och kan till och med döda en cell. Men säkerhetsåtgärden har en baksida: Ju långsammare det är att slappna av och återuppta att låta det absorberade ljuset bränsle till fotosyntesen, desto mer av det energigivande ljuset slösar det bort.
"När du tänker ur perspektivet av en kloroplast i en växtcell, livet är verkligen svårt”, säger Glowacka, biträdande professor i biokemi vid Nebraska. "Med några sekunders mellanrum förändras miljön."
2016 bidrog Glowacka till en studie som visade att det var möjligt att öka aktiviteten hos tre speciella gener tobaksväxter att slå på och av NPQ i en mycket snabbare takt, vilket ger den både bättre skydd och effektivare fotosyntes. Den tobaken i sin tur producerade lämnar ungefär 20 % större, med simuleringar som tyder på att ännu större vinster kan vara möjliga. Uppföljande forskning fann att samma teknik kunde generera liknande fördelar i sojabönor - inte bara för löv, utan för bönorna också.
Men tobak och soja använder en annan form av fotosyntes än majs, sorghum, sockerrör och flera andra grödor som är bättre lämpade för varma och torra förhållanden – grödor vars avkastning måste öka för att hjälpa till att föda de 10 miljarder människor som förväntas befolka världen år 2050. Glowacka undrade om generna som kodade för NPQ-aktivitet i den ena kan spela samma roll i den andra. Även om de gjorde det, ansåg Glowacka och Nebraskas James Schnable att det måste finnas andra gener som hjälper en process så komplex som NPQ.
De hade rätt. Deras upptäckt började med att de arbetade på fälten under somrarna 2020 och 2021, när teamet planterade mer än 700 genetiskt olika linjer av majs på Havelock Research Farm i nordöstra Lincoln. Glowackas plan: leta efter skillnader i NPQ-prestanda mellan linjerna, försök sedan reta ut vilka gener som var ytterst ansvariga för dessa skillnader. Ändå var de befintliga metoderna för att mäta NPQ, visste Glowacka, dyra och tidskrävande. Mer än så kämpade de för att platta ut dagliga skillnader i varje linjes exponering för ljus, vilket potentiellt förstörde giltigheten av eventuella fynd.
Istället för att nöja sig, utvecklade Glowacka sin egen metod. Teamet använde en modifierad hålstans för att extrahera små prover från bladen på varje linje i fältet. Tillbaka i labbet gav forskarna vävnadsproverna nästan en dag för att anpassa sig till mörkret, och så småningom mätte de deras fluorescens - en proxy för fotosyntes och NPQ - innan och efter att de exponerats för ljusblixtar. Istället för att mäta ett prov var 20:e minut kunde teamet hantera 96 prover under samma intervall.
Forskarna fann att hastigheten och storleken på NPQ-svar varierade mycket mellan raderna, ett faktum som hjälpte till att underlätta sökandet efter nya gener som potentiellt driver den variationen i majs. En jämförelse av linjerna genetisk kod, korsreferens mot skillnaderna i NPQ-prestanda, avslöjade så småningom sex lovande genkandidater. Flera av dessa kandidater var redan bekanta med laget. Andra var inte det – inklusive en som heter PSI3, som introducerade mer av den variationen än någon annan kandidat.
Efter att ha identifierat motsvarigheter till dessa sex gener i Arabidopsis, en blommande växt vanligtvis används för att studera växtbiologi, fortsatte teamet att beställa mutanter: Arabidopsis-frön som var och en saknar en av de sex generna. I alla sex mutanterna var överspänningsskyddet i allmänhet trögt att reagera under lamporna men också långsammare att slappna av när lamporna släcktes. NPQ-topparna var också vanligtvis lägre och dalarna högre, vilket tyder på att växterna både buffrade mindre mot strömmar och slösade bort mer av det ljus som var tillgängligt för fotosyntes.
Identifieringen av dessa gener, i kombination med mängden naturlig NPQ-variation över majslinjer, kan öppna vägen för avel växter mycket bättre på att utnyttja avkastningshöjande solljus, sa forskarna. I bästa fall, sa Schnable, kan dessa ansträngningar komma att bära frukt om så lite som ett halvdussin år.
Om de gör det kan resultaten visa sig vara en välsignelse för växtodlare som nu undersöker alla möjligheter att förhindra global livsmedelsbrist under de kommande decennierna.
"Vi kan få 22% av den avkastningen från grödorna, potentiellt om vi skulle snabba upp NPQ," sa Glowacka.
Med tanke på att forskarna startade studien tidigt 2020, innebar deras försök att hjälpa till att hejda en förestående global kris att ta itu med en samtida kris. Två av teamets medlemmar, Seema Sahay och Marcin Grzybowski, hade bara nyligen anlänt till USA – nyligen nog att ingen av dem ännu hade tagit körkort. Före covid-19 skulle de två ha åkt ut till Havelock Research Farm.
Universitetsprotokoll som utformats för att bromsa spridningen av viruset stoppar det alternativet tillfälligt. Oavskräckta, Sahay och Grzybowski tillgrep regelbundet att cykla ungefär sju mil ut till forskningsgården - en 30-minuters vandring mitt i värmen och fuktigheten i en Nebraska-sommar.
"Seema och Marcin," sa Glowacka, "är de verkliga hjältarna i detta experiment."
Studien publiceras i tidskriften Ny fytolog.