2022-11-17 14:07:52
11月16日,中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心召開(kāi)“野生玉米高蛋白優(yōu)異基因資源挖掘與利用新突破”新聞發(fā)布會(huì),該中心巫永睿研究團(tuán)隊(duì)與上海師范大學(xué)王文琴研究團(tuán)隊(duì)合作,成功從野生玉米中克隆出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),該基因可提高玉米中氮的同化效率,使蛋白質(zhì)含量大大提高,將該基因?qū)胗衩鬃越幌礏73后,種子蛋白質(zhì)含量增加約35%,根中氮含量增加約54%。
科研人員從2012年開(kāi)始進(jìn)行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,歷經(jīng)10年終于取得突破,研究論文于17日在《自然》雜志上發(fā)表。
業(yè)界專家高度評(píng)價(jià),這項(xiàng)工作展示了將野生祖先的遺傳變異引入優(yōu)質(zhì)作物的巨大潛力,有助于促進(jìn)更可持續(xù)的農(nóng)業(yè)和保障未來(lái)的糧食安全。
據(jù)介紹,玉米的祖先是南美洲墨西哥南部巴爾薩斯河流域的野生玉米大芻草,9000年前開(kāi)始被人類馴化。
研究顯示,野生玉米在沒(méi)有施加氮肥條件下種子蛋白含量高達(dá)30%,而普通玉米自交系蛋白含量約為10%,這表明野生玉米含有控制高蛋白含量的關(guān)鍵基因。然而,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。長(zhǎng)期以來(lái),野生玉米高蛋白含量的形成機(jī)理一直是懸而未決的世紀(jì)難題。
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,巫永睿研究團(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(guò)三代測(cè)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,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(guò)艱苦攻關(guān),連續(xù)創(chuàng)制了超過(guò)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。在這一過(guò)程中,研究團(tuán)隊(duì)提取了超過(guò)4萬(wàn)個(gè)樣本的DNA,測(cè)定了超過(guò)2萬(wàn)個(gè)樣本的蛋白含量,進(jìn)行3次大規(guī)模高蛋白遺傳種群的測(cè)序以及精細(xì)的圖位克隆,終于從野生玉米中克隆到首個(gè)控制玉米高蛋白的主效基因THP9。該基因編碼天冬酰胺合成酶4,天冬酰胺合成酶4負(fù)責(zé)合成天冬酰胺,而植物中天冬酰胺的水平與其種子蛋白質(zhì)含量密切相關(guān)。
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),結(jié)果顯示,將Thp9-T(野生玉米上的THP9基因)導(dǎo)入現(xiàn)代玉米品種,可在不影響粒重的情況下增加種子蛋白質(zhì)含量。
用Thp9-T雜交改良我國(guó)推廣面積最大的品種“鄭單958”,其親本自交系(“鄭58”和“昌7-2”)籽粒蛋白含量達(dá)到14%以上,雜交品種達(dá)到10%以上,產(chǎn)量沒(méi)有降低,并且能夠在低氮條件下,有效保持玉米的生物量以及植株和籽粒氮含量水平。將該基因?qū)胗衩鬃越幌礏73后,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%,植株整體重量(生物量)也大大增加。
我國(guó)玉米年產(chǎn)量達(dá)2.7億噸,其中有70%用作飼料。由于玉米籽粒蛋白含量普遍較低,飼料中需要補(bǔ)充大豆蛋白。據(jù)測(cè)算,普通玉米蛋白含量每提高一個(gè)百分點(diǎn),可以少用近800萬(wàn)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。
巫永睿團(tuán)隊(duì)研究結(jié)果顯示,當(dāng)?shù)蕼p少時(shí),高蛋白玉米生物量和正常施肥的普通玉米沒(méi)有明顯變化,培育高蛋白玉米,可提高作物氮肥利用效率,在低氮條件下促進(jìn)玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn),對(duì)減少化肥施用、降低種植成本,從而減少環(huán)境污染,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。
該研究得到中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)B項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、上?!俺?jí)博士后”激勵(lì)計(jì)劃的資助。
作者:農(nóng)民日?qǐng)?bào)·中國(guó)農(nóng)網(wǎng)記者 姚媛 見(jiàn)習(xí)記者 雷昱