美国橡树岭国家实验室的科学家们发现了一个单一的基因，它不仅可以同时促进植物生长和对干旱、土壤高盐分的耐受性，还能让植物从大气中吸收更多的二氧化碳，来缓解因全球变暖而日益加剧的气候变化问题。
人类活动对化石燃料的过度依赖，会造成二氧化碳等温室气体的过度排放。这些温室气体对太阳光有很好的通透性，对地球向太空发射的热辐射却有很好的阻挡性，综合作用下，地球变得越来越暖。而随着地球变得越来越暖，南北两极的永久冻土层被解冻，这些冻土下面的碳被大量释放出来，全球变暖进入恶性循环。
另一种恶性循环是，随着全球变暖日益加剧，气候变化随之加剧，这会影响植物的生长。植物能吸收大量的二氧化碳，当植物无法适应气候变化而大片地死去，大气中积累的二氧化碳只会越来越多。
另一方面，随着气候变化引发更频繁、更持久的干旱，人们对水资源短缺的担忧正在升级。世界上只有大约3%的水是淡水，而且其中大部分的淡水被冰冻或藏在地底深处无法汲取。农业是世界上最大的淡水消费行业，科学家们希望能培育出更多的耐寒、耐干旱并能使用海水等盐分高的水来灌溉。
为了培育出更高产、更耐旱的生物能源作物，生物能源创新中心（CBI）的ORNL科学家们一直在研究让沙漠植物，如龙舌兰和卡兰乔，在干旱条件下茁壮成长的机制。沙漠植物利用一种叫做景天酸代谢（简称CAM）的光合作用形式，在夜间将二氧化碳保存在细胞中，在白天转化为糖。为了在极端的沙漠温度下生存，CAM植物只会在夜间打开气孔或叶孔来捕获二氧化碳，在白天炎热的时候保持气孔关闭，以避免水分流失。
ORNL的一个团队在年利用实验室的泰坦超级计算机确定了CAM光合作用的关键基因。在这项研究的基础上，研究人员找到了一种重要酶的新变体，发现它同时触发了两条途径，一条是碳固定和植物生长的途径，另一条是产生脯氨酸的途径，脯氨酸是一种已知的提高抗逆能力的关键氨基酸。
领导这项研究的植物系统和合成生物学家杨晓涵（XiaohanYang）说：“发现单一的基因改造可以带来多种益处是不寻常的。这与一个基因和一种蛋白质影响一个性状的经典模型不同。我们看到了更多的这种现象的例子，其中一个单一的基因作为一个主调节器，开启许多其他基因的上游和下游。”
研究小组从沙漠植物龙舌兰中提取了一个变异基因AaPEPC1，他们先前发现该基因表达CAM光合作用中的一种重要酶，并将该基因导入烟草，烟草通过非CAM途径进行光合作用。磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶是夜间二氧化碳固定的关键酶。正如预期的那样，该基因能让植物更多地捕获二氧化碳，从而促进烟草植株生长和生物产量。
令人惊讶的是，研究小组发现，即使在压力条件下，生物产量的增加也是一致的。结果表明，与常规烟草相比，AaPEPC1基因工程烟草植株在土壤高盐条件下干重提高了82%左右，在干旱条件下干重提高了37%。
进一步的研究表明，AaPEPC1基因和相应的酶的表达上调或开启了苹果酸产生的CAM途径中的多个基因，这对于保持细胞质中的二氧化碳或植物细胞内的液体至关重要。同一个基因上调了另一组产生脯氨酸的基因，提高了抗逆能力。研究小组仍在研究起作用的分子机制。
“这些影响很可能不是烟草特有的，所以我们需要对其他物种进行额外的测试，”杨说：“我们的研究结果可以为未来的研究奠定基础，其目标是增加边际土地上生物量的可持续生产，同时有利于生物质能和碳汇。”