2022-11-17 14:07:52
11月16日，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心召開(kāi)“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(huì)，該中心巫永睿研究團(tuán)隊(duì)與上海師范大學(xué)王文琴研究團(tuán)隊(duì)合作，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(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，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(zhuān)家高度評(píng)價(jià)，這項(xiàng)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(jìn)更可持續(xù)的農(nóng)業(yè)和保障未來(lái)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(kāi)始被人類(lèi)馴化。
研究顯示，野生玉米在沒(méi)有施加氮肥條件下種子蛋白含量高達(dá)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(lèi)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(zhǎng)期以來(lái)，野生玉米高蛋白含量的形成機(jī)理一直是懸而未決的世紀(jì)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(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，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。在這一過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)提取了超過(guò)4萬(wàn)個(gè)樣本的DNA，測(cè)定了超過(guò)2萬(wàn)個(gè)樣本的蛋白含量，進(jìn)行3次大規(guī)模高蛋白遺傳種群的測(cè)序以及精細(xì)的圖位克隆，終于從野生玉米中克隆到首個(gè)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(fù)責(zé)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(tuán)隊(duì)在三亞南繁基地進(jìn)行了大規(guī)模田間試驗(yàn)，結(jié)果顯示，將Thp9-T（野生玉米上的THP9基因）導(dǎo)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(guó)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(dá)到14％以上，雜交品種達(dá)到10％以上，產(chǎn)量沒(méi)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(guó)玉米年產(chǎn)量達(dá)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(bǔ)充大豆蛋白。據(jù)測(cè)算，普通玉米蛋白含量每提高一個(gè)百分點(diǎn)，可以少用近800萬(wàn)噸大豆。因此，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。
巫永睿團(tuán)隊(duì)研究結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)蕼p少時(shí)，高蛋白玉米生物量和正常施肥的普通玉米沒(méi)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(jìn)玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，對(duì)減少化肥施用、降低種植成本，從而減少環(huán)境污染，實(shí)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(guó)科學(xué)院先導(dǎo)B項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、上海“超級(jí)博士后”激勵(lì)計(jì)劃的資助。
作者：農(nóng)民日?qǐng)?bào)·中國(guó)農(nóng)網(wǎng)記者 姚媛 見(jiàn)習(xí)記者 雷昱
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