科技日報記者 王春
11月17日，國際權威期刊《自然》發表了中國科學院分子植物科學卓越創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的研究成果。研究人員經過10年努力，從野生玉米中克隆了控制玉米高蛋白品質形成和氮素高效利用的關鍵變異基因THP9，并將其導入玉米自交系，使玉米蛋白含量大幅提高。
巫永睿（中）團隊在三亞南繁的試驗田里。受訪者供圖
(資料圖片僅供參考)
巫永睿表示，“提高玉米蛋白含量不僅是保障國家糧食安全的重大戰略需求，也是保障我國畜禽養殖業和飼料加工業健康發展的重要途徑之一。與現代玉米相比，野生玉米的蛋白含量高3倍。然而，野生玉米高蛋白形成的機理是長期以來懸而未決的難題，控制玉米總蛋白含量和氮素高效利用的關鍵基因一直未能找到。”
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。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，用于野生玉米高蛋白基因的定位和克隆。研究團隊經過艱苦攻關，連續創制了超過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。
10年中，研究團隊提取了超過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、第6代BC6及第8代BC8進行了3次大規模高蛋白遺傳群體的測序以及精細圖位克隆，最終從野生玉米中克隆出首個控制玉米高蛋白含量的主效基因THP9。
研究人員發現，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。天冬酰胺在氮循環中具有核心作用，并在氨基基團的分子間轉移反應中充當氮供體。因此，植物中的天冬酰胺水平與種子蛋白質含量密切相關。
實驗中，研究人員將野生玉米優良基因Thp9-T導入玉米自交系B73后，使種子蛋白含量增加約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%，并且植株整體重量也大大增加。
此外，研究團隊在三亞南繁基地進行了大規模田間試驗，將野生玉米高蛋白基因Thp9-T雜交導入我國推廣面積最大的玉米生產栽培品種鄭單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用潛能。同時，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玉米高產、穩產具有重要意義。
在大田試驗中，研究人員同時驗證了Thp9-T不僅顯著提高“鄭單958”的籽粒蛋白含量，而且在低氮條件下促進玉米高產穩產。
《自然》審稿專家認為，這項工作通過分子生物學、生物化學、比較基因組學、定量遺傳學和育種等，解開了玉米蛋白含量和游離氨基酸積累的遺傳學謎題。“高蛋白含量相關位點被識別并精確定位到THP9基因，然后引入現代玉米中，展示了利用作物野生親緣實現可持續農業的巨大潛力。”評審人說，“這顯示出對未來糧食安全的重要意義。”
