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 “THP9enhances seed protein content and nitrogen-use efficiency in maize”的研究論文。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)。
研究成果背后的故事
研究背景 // Research background
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。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。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？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。
野生玉米大芻草（左）和栽培玉米（右）
研究內(nèi)容 // Research content
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。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。同時(shí)，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。
野生玉米THP9提高玉米蛋白含量和氮素高效利用效率
本項(xiàng)研究從野生玉米中發(fā)現(xiàn)一個(gè)控制高蛋白玉米形成的關(guān)鍵優(yōu)異變異基因Thp9-T，它可以提高玉米中氮的同化效率從而有利于產(chǎn)生更多的蛋白質(zhì)。將Thp9-T導(dǎo)入現(xiàn)代玉米品種，大大提高了氨基酸水平，尤其是天冬酰胺，并且在不影響粒重的情況下增加了種子蛋白質(zhì)含量。同時(shí)，在大田試驗(yàn)中，本項(xiàng)研究也驗(yàn)證了Thp9-T在高蛋白育種改良過程中起著重大作用，不僅顯著提高玉米栽培品種鄭單958的籽粒蛋白含量，而且在在低氮條件下能有效保持玉米的生物量以及植株和籽粒氮含量水平，對今后該基因的進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
由于化肥的過度使用，野生玉米優(yōu)良基因Thp9-T在長期的育種過程中沒有受到選擇壓力。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。
相關(guān)信息 // Related information
中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心黃永財(cái)博士后、王海海副研究員、朱一棟博士生為本文的共同第一作者，巫永睿研究員和上海師范大學(xué)王文琴教授為本文共同通訊作者。中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士研究生黃興、馬光近、肖俏，高級實(shí)驗(yàn)師王瓊，副研究員王婕??；上海師范大學(xué)碩士研究生李帥、吳興國、金勇波、崔亞輝；齊魯師范學(xué)院路小鐸教授、秦莉青年教師；山東農(nóng)業(yè)大學(xué)劉紅軍教授、楊雪蓉副教授、碩士研究生趙耀；深圳基因組所鮑志貴；美國亞利桑那大學(xué)Brian A. Larkins院士也參與了合作。本研究得到中國科學(xué)院先導(dǎo)B項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金，中國博士后科學(xué)基金，上?！俺壊┦亢蟆奔?lì)計(jì)劃的資助。
研究團(tuán)隊(duì)
上圖：在三亞創(chuàng)制野生玉米高蛋白遺傳群體，從左至右分別為黃永財(cái)博士、巫永睿研究員、王海海副研究員
下圖：巫永睿和王文琴實(shí)驗(yàn)室合影
專家點(diǎn)評
專家意見:
這項(xiàng)了不起的工作通過分子生物學(xué)、生物化學(xué)、比較基因組學(xué)、定量遺傳學(xué)和育種等實(shí)驗(yàn)，解開了玉米蛋白質(zhì)含量和游離氨基酸積累的遺傳學(xué)。作者從玉米的野生親緣大芻草中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有望提高玉米蛋白質(zhì)含量和氮利用效率的靶點(diǎn)。這項(xiàng)工作展示了利用作物的野生親緣來實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)的巨大潛力。
編輯意見:
這代表了一項(xiàng)令人印象深刻的工作，其中一個(gè)與種子中高蛋白含量相關(guān)的大芻草蛋白位點(diǎn)被識(shí)別出來。該位點(diǎn)被精確定位到THP9基因，當(dāng)引入現(xiàn)代玉米時(shí)，它可以提高NUE和種子蛋白質(zhì)含量。這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了將野生祖先的遺傳變異引入優(yōu)質(zhì)作物的潛力，以促進(jìn)更可持續(xù)的農(nóng)業(yè)和未來的糧食安全。
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