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經(jīng)過10年努力,我國(guó)科研人員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——北京時(shí)間2022年11月17日,中國(guó)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)合作完成的這一成果在《自然》(Nature)上發(fā)表。
玉米的祖先起源于南美洲墨西哥南部的巴爾薩斯河流域,叫作大芻草,它像雜草一樣生長(zhǎng),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,如今,玉米已成為世界上最高產(chǎn)的農(nóng)作物之一,并且是最常用且用量最大的一種飼料。然而,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%,飼料中需要補(bǔ)充大豆蛋白,而大豆嚴(yán)重依賴進(jìn)口,成為我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的“卡脖子”問題。“普通玉米蛋白含量每提高一個(gè)百分點(diǎn),相當(dāng)于中國(guó)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(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)展的重要途徑之一。”巫永睿介紹,野生玉米高蛋白形成的機(jī)理長(zhǎng)期以來懸而未決,科學(xué)家們一直在尋找控制玉米總蛋白含量和氮素高效利用的關(guān)鍵基因。2012年,團(tuán)隊(duì)開始了對(duì)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。
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高達(dá)30%,這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?cè)谝吧同F(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?研究團(tuán)隊(duì)首先通過三代測(cè)序技術(shù)和三維基因組相結(jié)合的策略,破解了高度復(fù)雜的野生玉米基因組。在這個(gè)過程中,提取超過4萬個(gè)樣本的DNA進(jìn)行基因型鑒定,測(cè)定了超過2萬個(gè)樣本的蛋白含量進(jìn)行表型分析,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。
接下來,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(guó)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(duì)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。
“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),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。”業(yè)內(nèi)專家對(duì)這一成果充滿期待。
巫永睿分析,由于化肥的過度使用,野生玉米優(yōu)良基因Thp9-T在長(zhǎng)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(duì)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(shì)下的國(guó)家糧食安全戰(zhàn)略,確保國(guó)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。
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