澎湃新聞?dòng)浾?朱奕奕

如何讓玉米蛋白質(zhì)含量更高？

北京時(shí)間2022年11月17日，中國科學(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。

(相關(guān)資料圖)

經(jīng)過10年堅(jiān)持不懈的努力，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Teosinte High Protein 9 (THP9)。

玉米的祖先起源于南美洲墨西哥南部的巴爾薩斯河流域，叫做大芻草，它像雜草一樣生長，種子外面包裹著堅(jiān)硬的殼，無法直接食用。人類祖先早在9000年以前就開始馴化玉米，逐步把雜草一樣的野生玉米大芻草改造成了今天的玉米。

人類祖先早在9000年以前就開始馴化玉米，逐步把雜草一樣的野生玉米大芻草改造成了今天的玉米。?

如今，玉米已成為世界上最高產(chǎn)的農(nóng)作物之一，全球年產(chǎn)12億噸，中國年產(chǎn)2.7億噸。其中，70%的玉米都是用作飼料，玉米產(chǎn)量高，有效能量多，是最常用且用量最大的一種飼料，故有“飼料之王”的美稱。

隨著人們生活質(zhì)量的提高，對肉蛋奶的需求不斷增加，玉米的消費(fèi)量也日益增加，致使近年來玉米進(jìn)口量也不斷提升。

由于普通玉米籽粒蛋白含量較低，大部分雜交種籽粒蛋白含量不到8%，因此飼料中需要補(bǔ)充大豆蛋白，然而大豆嚴(yán)重依賴進(jìn)口，這些成為了我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的“卡脖子”問題。如果普通玉米蛋白含量每提高一個(gè)百分點(diǎn)，相當(dāng)于中國可以少進(jìn)口近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)展的重要途徑之一。

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

研究團(tuán)隊(duì)于2012年開始進(jìn)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。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。

巫永睿研究團(tuán)隊(duì)在玉米田工作照，站中間者為巫永睿。

這些基因是什么，它們在野生和現(xiàn)代玉米中到底發(fā)生了什么改變？它們能否被挖掘用于提高現(xiàn)代玉米的蛋白含量？

實(shí)際上，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。

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(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。在這個(gè)過程中，他們提取了超過4萬個(gè)樣本的DNA進(jìn)行基因型鑒定，測定了超過2萬個(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。

研究成果模型

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B73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。

此外，研究團(tuán)隊(duì)在三亞南繁基地進(jìn)行了大規(guī)模田間試驗(yàn)，將野生玉米高蛋白基因Thp9-T雜交導(dǎo)入我國推廣面積最大的玉米生產(chǎn)栽培品種鄭單958中，可以顯著提高雜交種籽粒蛋白含量，表明該基因在培育高蛋白玉米中具有重要的應(yīng)用潛能。

“種玉米之路，是艱辛而快樂的?！蔽子李Ｑ芯繂T說，玉米桿太高大了，他帶著學(xué)生走進(jìn)田里都會(huì)被淹沒，花粉刷刷地掉在身上，奇癢無比，鋒利的葉片還會(huì)劃出一道道傷痕。

十畝地，兩萬株玉米，巫永睿帶著三五個(gè)學(xué)生，從早上8點(diǎn)干到下午3點(diǎn)進(jìn)行人工授粉，幸好大家深懷著對科學(xué)的信念，堅(jiān)持了下來。

巫永睿研究團(tuán)隊(duì)工作照

有意思的是，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心巫永睿研究員和上海師范大學(xué)王文琴研究員是一對科研夫婦，一人在田間地頭，一人在計(jì)算機(jī)房，共同鑄就了植物研究的輝煌。

王文琴與巫永睿

巫永睿介紹，這項(xiàng)研究成果在減少氮肥施用條件下，可以有效保持玉米的生物量以及植株和籽粒中氮含量水平，這對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。

記者了解到，目前這項(xiàng)研究成果已經(jīng)走上了科技成果轉(zhuǎn)化之路，通過和安徽的一家育種公司的合作，或?qū)⒄嬲呦蚴袌觥?/p>

本項(xiàng)研究不僅成功克隆了野生玉米變異基因Thp9-T，有利于現(xiàn)代栽培玉米提高籽粒蛋白含量的遺傳改良，而且對將來減少化肥施用和保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要指導(dǎo)意義，為構(gòu)建和實(shí)施新形勢下的國家糧食安全戰(zhàn)略，確保國家糧食安全和重要農(nóng)產(chǎn)品有效供給，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供新的解決方案。

玉米田

（受訪者供圖）

關(guān)鍵詞： 玉米蛋白 顯著提高