經(jīng)過10年努力，我國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，玉米籽實中的蛋白質(zhì)含量平均提升至14%，未來有望提高到20%。11月17日，國際頂尖學術期刊《Nature》在線發(fā)表了這一成果。
11月17日，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心巫永睿研究團隊與上海師范大學王文琴研究團隊合作在《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添加豆粕等其他蛋白原料，以滿足動物營養(yǎng)需求。然而，我國大豆嚴重依賴進口，近年來，全球大豆價格居高不下，使我國飼料原料供應安全面臨巨大挑戰(zhàn)。
如果玉米中蛋白含量提高1個百分點，就相當于節(jié)省大豆800萬噸?？梢?，提高玉米蛋白含量不僅是保障國家糧食安全的重大戰(zhàn)略需求，也是保障我國畜禽養(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理是長期以來懸而未決的世紀難題，控制玉米總蛋白含量和氮素高效利用的關鍵基因一直還沒找到。
破解野生玉米基因組
事實上，作為玉米的祖先，“大芻草”的蛋白含量卻高達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，甚至超過了人與黑猩猩基因組之間的差距。
研究團隊于2012年開始進行玉米高蛋白供體材料的尋找、蛋白含量測定、遺傳分析以及群體構建。實驗發(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有施加氮肥條件下種子蛋白含量都高達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，研究團隊首先破解了高度復雜的野生玉米基因組。他們通過三代測序技術和三維基因組相結合的策略，摸索并成功拼裝出既雜合又復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。
研究團隊經(jīng)過艱苦攻關，連續(xù)創(chuàng)制了超過10代的遺傳材料，終于構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。在這個過程中，他們提取了超過4萬個樣本的DNA進行基因型鑒定，測定了超過2萬個樣本的蛋白含量進行表型分析，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）進行了3次大規(guī)模高蛋白遺傳群體的測序以及精細的圖位克隆，最終從野生玉米中克隆到首個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，負責合成天冬酰胺。天冬酰胺在氮循環(huán)中具有核心作用，并在氨基基團的分子間轉(zhuǎn)移反應中充當?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。研究發(fā)現(xiàn)野生玉米優(yōu)良基因Thp9-T顯著高表達，而B73和一些玉米自交系中含有Thp9的突變形式Thp9-B，導致 ASN4 的表達量較低。
野生玉米優(yōu)良基因Thp9-T導入玉米自交系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，巫永睿帶領團隊立即開展大規(guī)模田間試驗，將其導入我國推廣面積最大的玉米生產(chǎn)栽培品種鄭單958中。為了爭取時間，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畝試驗田，共2萬株玉米，每一株都需要人工授粉，而且不能出錯，只能由研究組的學生和老師親自完成。盡管非常辛苦，但當他們發(fā)現(xiàn)THP9-T還能減少玉米種植的氮肥施用，仍十分驚喜，這對于在低氮條件下促進玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。
巫永睿表示，團隊已在為新發(fā)現(xiàn)的基因申請專利，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個控制玉米蛋白含量的基因，未來將繼續(xù)將其克隆并引入現(xiàn)代玉米中，爭取讓玉米作物的蛋白質(zhì)含量提升至20%。
來源｜文匯網(wǎng)、澎湃新聞
編輯丨農(nóng)財君
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