2022-11-17 14:07:52
11月16日，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心召開“野生玉米高蛋白優(yōu)異基因資源挖掘與利用新突破”新聞發(fā)布會，該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，成功從野生玉米中克隆出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Teosinte High Protein 9（THP9），該基因可提高玉米中氮的同化效率，使蛋白質(zhì)含量大大提高，將該基因?qū)胗衩鬃越幌礏73后，種子蛋白質(zhì)含量增加約35％，根中氮含量增加約54％。
科研人員從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(gòu)建，歷經(jīng)10年終于取得突破，研究論文于17日在《自然》雜志上發(fā)表。
業(yè)界專家高度評價，這項工作展示了將野生祖先的遺傳變異引入優(yōu)質(zhì)作物的巨大潛力，有助于促進更可持續(xù)的農(nóng)業(yè)和保障未來的糧食安全。
據(jù)介紹，玉米的祖先是南美洲墨西哥南部巴爾薩斯河流域的野生玉米大芻草，9000年前開始被人類馴化。
研究顯示，野生玉米在沒有施加氮肥條件下種子蛋白含量高達30％，而普通玉米自交系蛋白含量約為10％，這表明野生玉米含有控制高蛋白含量的關(guān)鍵基因。然而，不同玉米自交系遺傳變異大于人類與黑猩猩之間的差異，而9000年前的野生玉米與現(xiàn)代玉米的差異就更大了。長期以來，野生玉米高蛋白含量的形成機理一直是懸而未決的世紀難題。
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，巫永睿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(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雜的野生玉米單倍體基因組，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(guān)，連續(xù)創(chuàng)制了超過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。在這一過程中，研究團隊提取了超過4萬個樣本的DNA，測定了超過2萬個樣本的蛋白含量，進行3次大規(guī)模高蛋白遺傳種群的測序以及精細的圖位克隆，終于從野生玉米中克隆到首個控制玉米高蛋白的主效基因THP9。該基因編碼天冬酰胺合成酶4，天冬酰胺合成酶4負責合成天冬酰胺，而植物中天冬酰胺的水平與其種子蛋白質(zhì)含量密切相關(guān)。
研究團隊在三亞南繁基地進行了大規(guī)模田間試驗，結(jié)果顯示，將Thp9-T（野生玉米上的THP9基因）導入現(xiàn)代玉米品種，可在不影響粒重的情況下增加種子蛋白質(zhì)含量。
用Thp9-T雜交改良我國推廣面積最大的品種“鄭單958”，其親本自交系（“鄭58”和“昌7-2”）籽粒蛋白含量達到14％以上，雜交品種達到10％以上，產(chǎn)量沒有降低，并且能夠在低氮條件下，有效保持玉米的生物量以及植株和籽粒氮含量水平。將該基因?qū)胗衩鬃越幌礏73后，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％，植株整體重量（生物量）也大大增加。
我國玉米年產(chǎn)量達2.7億噸，其中有70％用作飼料。由于玉米籽粒蛋白含量普遍較低，飼料中需要補充大豆蛋白。據(jù)測算，普通玉米蛋白含量每提高一個百分點，可以少用近800萬噸大豆。因此，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。
巫永睿團隊研究結(jié)果顯示，當?shù)蕼p少時，高蛋白玉米生物量和正常施肥的普通玉米沒有明顯變化，培育高蛋白玉米，可提高作物氮肥利用效率，在低氮條件下促進玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，對減少化肥施用、降低種植成本，從而減少環(huán)境污染，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。
該研究得到中國科學院先導B項目和國家自然科學基金、中國博士后科學基金、上海“超級博士后”激勵計劃的資助。
作者：農(nóng)民日報·中國農(nóng)網(wǎng)記者 姚媛 見習記者 雷昱
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