經(jīng)過(guò)10年努力，我國(guó)科研人員終于從野生玉米中克隆了控制玉米高蛋白品質(zhì)形成和氮素高效利用的關(guān)鍵變異基因THP9，成功讓整株玉米的蛋白質(zhì)含量接近翻倍，玉米籽實(shí)中的蛋白質(zhì)含量平均提升至14%，未來(lái)有望提高到20%。11月17日，國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《Nature》在線發(fā)表了這一成果。

 

      11月17日，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心巫永睿研究團(tuán)隊(duì)與上海師范大學(xué)王文琴研究團(tuán)隊(duì)合作在《Nature》上發(fā)表了題為 《THP9 enhances seed protein content and nitrogen-use efficiency in maize》的研究論文。

 

 

      “飼料之王”蛋白提升1%，可節(jié)省800萬(wàn)噸大豆

 

      作為世界最高產(chǎn)的農(nóng)作物之一，玉米的全球年產(chǎn)量高達(dá)12億噸，其中70%用作飼料，因此又被稱為“飼料之王”。

 

      由于普通玉米籽料蛋白含量較低，大部分雜交種籽粒蛋白含量不到8%，因此飼料中需要通過(guò)添加豆粕等其他蛋白原料，以滿足動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)需求。然而，我國(guó)大豆嚴(yán)重依賴進(jìn)口，近年來(lái)，全球大豆價(jià)格居高不下，使我國(guó)飼料原料供應(yīng)安全面臨巨大挑戰(zhàn)。

 

      如果玉米中蛋白含量提高1個(gè)百分點(diǎn)，就相當(dāng)于節(jié)省大豆800萬(wàn)噸?？梢?jiàn)，提高玉米蛋白含量不僅是保障國(guó)家糧食安全的重大戰(zhàn)略需求，也是保障我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)和飼料加工業(yè)健康發(fā)展的重要途徑之一。

 

      然而，野生玉米高蛋白形成的機(jī)理是長(zhǎng)期以來(lái)懸而未決的世紀(jì)難題，控制玉米總蛋白含量和氮素高效利用的關(guān)鍵基因一直還沒(méi)找到。

 

      破解野生玉米基因組

 

      事實(shí)上，作為玉米的祖先，“大芻草”的蛋白含量卻高達(dá)30%。9000年的漫漫野生歲月，讓現(xiàn)代玉米與大芻草的基因組的差別變得非常巨大，甚至超過(guò)了人與黑猩猩基因組之間的差距。

 

      研究團(tuán)隊(duì)于2012年開(kāi)始進(jìn)行玉米高蛋白供體材料的尋找、蛋白含量測(cè)定、遺傳分析以及群體構(gòu)建。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)普通玉米自交系蛋白含量約為10%，而玉米祖先野生玉米在沒(méi)有施加氮肥條件下種子蛋白含量都高達(dá)30%，其含量是現(xiàn)代普通栽培玉米的3倍，表明野生玉米含有控制高蛋白含量的關(guān)鍵基因。

 

      為了充分利用野生玉米的基因資源，挖掘控制其高蛋白的優(yōu)良變異基因，研究團(tuán)隊(duì)首先破解了高度復(fù)雜的野生玉米基因組。他們通過(guò)三代測(cè)序技術(shù)和三維基因組相結(jié)合的策略，摸索并成功拼裝出既雜合又復(fù)雜的野生玉米單倍體基因組（Zea mays ssp. parviglumis, accession number Ames21814），用于野生玉米高蛋白基因的定位和克隆。

 

      研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)艱苦攻關(guān)，連續(xù)創(chuàng)制了超過(guò)10代的遺傳材料，終于構(gòu)建了野生玉米和普通玉米自交系B73的高世代近等基因系群體。在這個(gè)過(guò)程中，他們提取了超過(guò)4萬(wàn)個(gè)樣本的DNA進(jìn)行基因型鑒定，測(cè)定了超過(guò)2萬(wàn)個(gè)樣本的蛋白含量進(jìn)行表型分析，并分別在回交群體的第4代BC4（n=500）、第6代BC6（n=1314）以及第8代BC8（n=1344）進(jìn)行了3次大規(guī)模高蛋白遺傳群體的測(cè)序以及精細(xì)的圖位克隆，最終從野生玉米中克隆到首個(gè)控制玉米高蛋白含量的主效基因THP9。

 

      該基因編碼天冬酰胺合成酶4 (ASN4)，ASN是氮代謝的中心，負(fù)責(zé)合成天冬酰胺。天冬酰胺在氮循環(huán)中具有核心作用，并在氨基基團(tuán)的分子間轉(zhuǎn)移反應(yīng)中充當(dāng)?shù)w。

 

      因此，植物中的天冬酰胺水平與種子蛋白質(zhì)含量密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)野生玉米優(yōu)良基因Thp9-T顯著高表達(dá)，而B(niǎo)73和一些玉米自交系中含有Thp9的突變形式Thp9-B，導(dǎo)致 ASN4 的表達(dá)量較低。

 

      野生玉米優(yōu)良基因Thp9-T導(dǎo)入玉米自交系B73后，使種子蛋白質(zhì)含量增加約35%，根中氮含量增加約54%，莖中氮含量增加約94%，葉片中氮含量增加約18%，并且生物量即植株整體重量也大大增加。

 

      三地輪種加緊育種

 

      在獲得了玉米高蛋白主效基因THP9-T后，巫永睿帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)立即開(kāi)展大規(guī)模田間試驗(yàn)，將其導(dǎo)入我國(guó)推廣面積最大的玉米生產(chǎn)栽培品種鄭單958中。為了爭(zhēng)取時(shí)間，他們采取了上海-三亞-哈爾濱三地穿梭的輪種形式，盡可能不間斷種植。

 

      今年，他們種植了10畝試驗(yàn)田，共2萬(wàn)株玉米，每一株都需要人工授粉，而且不能出錯(cuò)，只能由研究組的學(xué)生和老師親自完成。盡管非常辛苦，但當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)THP9-T還能減少玉米種植的氮肥施用，仍十分驚喜，這對(duì)于在低氮條件下促進(jìn)玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

 

      巫永睿表示，團(tuán)隊(duì)已在為新發(fā)現(xiàn)的基因申請(qǐng)專利，并與安徽一家農(nóng)業(yè)企業(yè)合作育種。此外，他們還發(fā)現(xiàn)了另外3個(gè)控制玉米蛋白含量的基因，未來(lái)將繼續(xù)將其克隆并引入現(xiàn)代玉米中，爭(zhēng)取讓玉米作物的蛋白質(zhì)含量提升至20%。

 

      來(lái)源｜文匯網(wǎng)、澎湃新聞

 

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