中國青年報客戶端上海11月17日電（中青報·中青網記者 王燁捷）北京時間2022年11月17日，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(yu) 上海師範大學王文琴研究團隊合作在英國《自然》雜誌發表一篇論文。經過10年的努力，科研人員終於(yu) 從(cong) 野生玉米中克隆了控製玉米高蛋白品質形成和氮素高效利用的關(guan) 鍵變異基因Teosinte High Protein 9 (THP9)。

　　玉米是世界三大糧食作物之一，玉米的產(chan) 量和質量直接關(guan) 係到一個(ge) 國家的糧食安全。玉米目前已經成為(wei) 世界上最高產(chan) 的農(nong) 作物之一，全球年產(chan) 12億(yi) 噸，中國年產(chan) 2.7億(yi) 噸。其中，70%的玉米都是用作飼料。玉米產(chan) 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。

　　THP9基因作用於(yu) 玉米科普簡介視頻。中科院植生所提供

　　隨著人們(men) 生活質量的提高，對肉蛋奶的需求不斷增加，玉米的消費量也日益增加，致使近年來玉米進口量也不斷提升。由於(yu) 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%，因此飼料中需要補充大豆蛋白，然而大豆嚴(yan) 重依賴進口，這些成為(wei) 我國畜禽養(yang) 殖業(ye) 的“卡脖子”問題。如果能使得普通玉米蛋白含量提高一個(ge) 百分點，相當於(yu) 中國可以少進口近800萬(wan) 噸大豆。因此，提高玉米蛋白含量不僅(jin) 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(yang) 殖業(ye) 和飼料加工業(ye) 健康發展的重要途徑之一。

　　然而，野生玉米高蛋白形成的機理是長期以來懸而未決(jue) 的世紀難題，控製玉米總蛋白含量和氮素高效利用的關(guan) 鍵基因一直還沒找到。

　　巫永睿研究團隊於(yu) 2012年開始進行玉米高蛋白供體(ti) 材料的尋找、蛋白含量測定、遺傳(chuan) 分析以及群體(ti) 構建。實驗發現普通玉米自交係蛋白含量約為(wei) 10%，而野生玉米在沒有施加氮肥條件下種子蛋白含量都高達30%，其含量是現代普通栽培玉米的3倍，表明野生玉米含有控製高蛋白含量的關(guan) 鍵基因。但這些基因是什麽(me) ，它們(men) 在野生和現代玉米中到底發生了什麽(me) 改變？它們(men) 能否被挖掘用於(yu) 提高現代玉米的蛋白含量？

　　論文部分圖文解說頁麵截取。中科院植生所供圖

　　為(wei) 了充分利用野生玉米的基因資源，挖掘控製其高蛋白的優(you) 良變異基因，研究團隊首先破解了高度複雜的野生玉米基因組。他們(men) 通過三代測序技術和三維基因組相結合的策略，摸索並成功拚裝出既雜合又複雜的野生玉米單倍體(ti) 基因組（Zea mays ssp. parviglumis, accession number Ames21814），用於(yu) 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(guan) ，連續創製了超過10代的遺傳(chuan) 材料，終於(yu) 構建了野生玉米和普通玉米自交係B73的高世代近等基因係群體(ti) 。在這個(ge) 過程中，他們(men) 提取了超過4萬(wan) 個(ge) 樣本的DNA進行基因型鑒定，測定了超過2萬(wan) 個(ge) 樣本的蛋白含量進行表型分析，並分別在回交群體(ti) 的第4代BC4（n=500）、第6代BC6（n=1314）以及第8代BC8（n=1344）進行了3次大規模高蛋白遺傳(chuan) 群體(ti) 的測序以及精細的圖位克隆，最終從(cong) 野生玉米中克隆到首個(ge) 控製玉米高蛋白含量的主效基因THP9。

　　研究發現野生玉米優(you) 良基因Thp9-T顯著高表達。野生玉米優(you) 良基因Thp9-T導入玉米自交係B73後，使種子蛋白質含量增加約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%，並且生物量即植株整體(ti) 重量也大大增加。

　　此外，研究團隊在三亞(ya) 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雜交導入我國推廣麵積最大的玉米生產(chan) 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，這對於(yu) 在低氮條件下促進玉米高產(chan) 、穩產(chan) 具有重要意義(yi) 。本項研究不僅(jin) 成功克隆了野生玉米變異基因Thp9-T，有利於(yu) 現代栽培玉米提高籽粒蛋白含量的遺傳(chuan) 改良，而且對將來減少化肥施用和保護生態環境具有重要指導意義(yi) ，為(wei) 構建和實施新形勢下的國家糧食安全戰略，確保國家糧食安全和重要農(nong) 產(chan) 品有效供給，促進農(nong) 業(ye) 可持續發展提供新的解決(jue) 方案。中國科學院分子植物科學卓越創新中心黃永財博士後、王海海副研究員、朱一棟博士生為(wei) 本文的共同第一作者，巫永睿研究員和上海師範大學王文琴教授為(wei) 本文共同通訊作者。本研究得到中國科學院先導B項目和國家自然科學基金，中國博士後科學基金，上海“超級博士後”激勵計劃的資助。《自然》雜誌專(zhuan) 家點評認為(wei) ，這項了不起的工作通過分子生物學、生物化學、比較基因組學、定量遺傳(chuan) 學和育種等實驗，解開了玉米蛋白質含量和遊離氨基酸積累的遺傳(chuan) 學。作者從(cong) 玉米的野生親(qin) 緣大芻草中發現了一個(ge) 有望提高玉米蛋白質含量和氮利用效率的靶點。這項工作展示了利用作物的野生親(qin) 緣來實現可持續農(nong) 業(ye) 的巨大潛力，“這項工作強調了將野生祖先的遺傳(chuan) 變異引入優(you) 質作物的潛力，以促進更可持續的農(nong) 業(ye) 和未來的糧食安全。”