中國青年報客戶端上海11月17日電（中青報·中青網(wǎng)記者 王燁捷）北京時間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)隊與上海師范大學(xué)王文琴研究團(tuán)隊合作在英國《自然》雜志發(fā)表一篇論文。經(jīng)過10年的努力，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)。

　　玉米是世界三大糧食作物之一，玉米的產(chǎn)量和質(zhì)量直接關(guān)系到一個國家的糧食安全。玉米目前已經(jīng)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。

　　THP9基因作用于玉米科普簡介視頻。中科院植生所提供

　　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，這些成為我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的“卡脖子”問題。如果能使得普通玉米蛋白含量提高一個百分點(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。

　　巫永睿研究團(tuán)隊于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。但這些基因是什么，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？

　　論文部分圖文解說頁面截取。中科院植生所供圖

　　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。在這個過程中，他們提取了超過4萬個樣本的DNA進(jìn)行基因型鑒定，測定了超過2萬個樣本的蛋白含量進(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控制玉米高蛋白含量的主效基因THP9。

　　研究發(fā)現(xiàn)野生玉米優(yōu)良基因Thp9-T顯著高表達(dá)。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，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。本項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。中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心黃永財博士后、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。本研究得到中國科學(xué)院先導(dǎo)B項目和國家自然科學(xué)基金，中國博士后科學(xué)基金，上海“超級博士后”激勵計劃的資助。《自然》雜志專家點(diǎn)評認(rèn)為，這項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)了一個有望提高玉米蛋白質(zhì)含量和氮利用效率的靶點(diǎn)。這項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，“這項工作強(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。”