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我科學(xué)家從野生玉米中找回“丟失”的高蛋白基因
發(fā)布時(shí)間：2022-11-18 08:42:40 文章來源：光明日?qǐng)?bào)
我科學(xué)家從野生玉米中找回“丟失”的高蛋白基因


(資料圖片)

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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