经过10年努力，我国科研人员终于从野生玉米中克隆了控制玉米高蛋白品质形成和氮素高效利用的关键变异基因THP9，成功让整株玉米的蛋白质含量接近翻倍，玉米籽实中的蛋白质含量平均提升至14%，未来有望提高到20%。11月17日，国际顶尖学术期刊《Nature》在线发表了这一成果。
11月17日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿研究团队与上海师范大学王文琴研究团队合作在《Nature》上发表了题为 《THP9 enhances seed protein content and nitrogen-use efficiency in maize》的研究论文。
“饲料之王”蛋白提升1%，可节省800万吨大豆
作为世界最高产的农作物之一，玉米的全球年产量高达12亿吨，其中70%用作饲料，因此又被称为“饲料之王”。
由于普通玉米籽料蛋白含量较低，大部分杂交种籽粒蛋白含量不到8%，因此饲料中需要通过添加豆粕等其他蛋白原料，以满足动物营养需求。然而，我国大豆严重依赖进口，近年来，全球大豆价格居高不下，使我国饲料原料供应安全面临巨大挑战。
如果玉米中蛋白含量提高1个百分点，就相当于节省大豆800万吨。可见，提高玉米蛋白含量不仅是保障国家粮食安全的重大战略需求，也是保障我国畜禽养殖业和饲料加工业健康发展的重要途径之一。
然而，野生玉米高蛋白形成的机理是长期以来悬而未决的世纪难题，控制玉米总蛋白含量和氮素高效利用的关键基因一直还没找到。
破解野生玉米基因组
事实上，作为玉米的祖先，“大刍草”的蛋白含量却高达30%。9000年的漫漫野生岁月，让现代玉米与大刍草的基因组的差别变得非常巨大，甚至超过了人与黑猩猩基因组之间的差距。
研究团队于2012年开始进行玉米高蛋白供体材料的寻找、蛋白含量测定、遗传分析以及群体构建。实验发现普通玉米自交系蛋白含量约为10%，而玉米祖先野生玉米在没有施加氮肥条件下种子蛋白含量都高达30%，其含量是现代普通栽培玉米的3倍，表明野生玉米含有控制高蛋白含量的关键基因。
为了充分利用野生玉米的基因资源，挖掘控制其高蛋白的优良变异基因，研究团队首先破解了高度复杂的野生玉米基因组。他们通过三代测序技术和三维基因组相结合的策略，摸索并成功拼装出既杂合又复杂的野生玉米单倍体基因组（Zea mays ssp. parviglumis, accession number Ames21814），用于野生玉米高蛋白基因的定位和克隆。
研究团队经过艰苦攻关，连续创制了超过10代的遗传材料，终于构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体。在这个过程中，他们提取了超过4万个样本的DNA进行基因型鉴定，测定了超过2万个样本的蛋白含量进行表型分析，并分别在回交群体的第4代BC4（n=500）、第6代BC6（n=1314）以及第8代BC8（n=1344）进行了3次大规模高蛋白遗传群体的测序以及精细的图位克隆，最终从野生玉米中克隆到首个控制玉米高蛋白含量的主效基因THP9。
该基因编码天冬酰胺合成酶4 (ASN4)，ASN是氮代谢的中心，负责合成天冬酰胺。天冬酰胺在氮循环中具有核心作用，并在氨基基团的分子间转移反应中充当氮供体。
因此，植物中的天冬酰胺水平与种子蛋白质含量密切相关。研究发现野生玉米优良基因Thp9-T显著高表达，而B73和一些玉米自交系中含有Thp9的突变形式Thp9-B，导致 ASN4 的表达量较低。
野生玉米优良基因Thp9-T导入玉米自交系B73后，使种子蛋白质含量增加约35%，根中氮含量增加约54%，茎中氮含量增加约94%，叶片中氮含量增加约18%，并且生物量即植株整体重量也大大增加。
三地轮种加紧育种
在获得了玉米高蛋白主效基因THP9-T后，巫永睿带领团队立即开展大规模田间试验，将其导入我国推广面积最大的玉米生产栽培品种郑单958中。为了争取时间，他们采取了上海-三亚-哈尔滨三地穿梭的轮种形式，尽可能不间断种植。
今年，他们种植了10亩试验田，共2万株玉米，每一株都需要人工授粉，而且不能出错，只能由研究组的学生和老师亲自完成。尽管非常辛苦，但当他们发现THP9-T还能减少玉米种植的氮肥施用，仍十分惊喜，这对于在低氮条件下促进玉米高产、稳产具有重要意义。
巫永睿表示，团队已在为新发现的基因申请专利，并与安徽一家农业企业合作育种。此外，他们还发现了另外3个控制玉米蛋白含量的基因，未来将继续将其克隆并引入现代玉米中，争取让玉米作物的蛋白质含量提升至20%。
来源｜文汇网、澎湃新闻
编辑丨农财君
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