文汇报:从8%到14%!我国科学家夫妇十年追踪,找回玉米高蛋白基因

发布者:新闻中心发布时间:2022-11-17浏览次数:10

来源:文汇报 2022年11月17日

标题:从8%到14%!我国科学家夫妇十年追踪,找回玉米高蛋白基因

作者:许琦敏


提到玉米,你会将它与“高蛋白”联系起来吗?尽管现在玉米作物的蛋白质含量仅为8-10%,可玉米的祖先大刍草的蛋白质含量却高达30%。

经过十年努力,上海一对科学家夫妇联手将玉米在人工种植中“丢掉”的高蛋白基因找了回来,成功让整株玉米的蛋白质含量接近翻倍,玉米籽实中的蛋白质含量平均提升至14%,未来有望提高到20%。国际顶尖学术期刊《自然》11月17日零点在线发表了这一成果。

“饲料之王”蛋白提升1%,可节省800万吨大豆

作为世界最高产的农作物之一,玉米的全球年产量高达12亿吨,我国年产玉米2.7亿吨。其中,70%的玉米都用作饲料,有“饲料之王”之称。不过,由于不少杂交玉米籽粒的蛋白质含量不足8%,饲料中还需补充大豆蛋白。

如果让玉米的蛋白质含量提升一个百分点,就相当于节省下了800万吨大豆。这对于保障国家粮食安全,以及我国畜禽养殖业和饲料加工业健康发展,具有重要意义。

在南美洲墨西哥南部的巴尔萨斯河流域,玉米的祖先——大刍草有着高达30%的蛋白质含量。然而,经过9000年的种植驯化,现在的玉米作物慢慢丢失掉了高蛋白的控制基因,变得更注重积累淀粉。

能否将玉米的高蛋白基因找回来?十年前,怀着寻觅玉米高蛋白控制基因的梦想,巫永睿从美国带回大刍草的种子,来到中国科学院分子植物科学卓越创新中心建立起自己的研究团队。

破解野生玉米基因组,找到高蛋白控制基因

其实,早在几十年前,植物学家就想从玉米祖先那里找回高蛋白控制基因。可惜的是,9000年的漫漫野生岁月,让现代大刍草的基因组变得驳杂难辨,同时也让现代玉米与大刍草的基因组的差别变得非常巨大,甚至超过了人与黑猩猩基因组之间的差距。这都成为定位蛋白控制基因的“拦路虎”。

提取超过4万个样本的DNA进行基因型鉴定、测定超过2万个样本的蛋白含量并进行表型分析、三次大规模高蛋白遗传群体测序……巫永睿与妻子——上海师范大学教授王文琴一起,破解了高度复杂的野生玉米基因组,又连续创制了超过10代的遗传材料,构建起了野生玉米和普通玉米的高世代近等基因系群体。

▲巫永睿与王文琴实验室合影

经过反复实验,研究团队终于从野生玉米中成功克隆到了首个控制玉米高蛋白含量的主效基因THP9。“THP9负责合成的酶,负责合成天冬酰胺,而天冬酰胺是植物合成蛋白质的重要基础原料。”巫永睿介绍,现代玉米中THP9的突变形式THP9-B导致合成天冬酰胺的功能变弱,“我们将野生玉米中的THP9-T引入现代玉米后,种子中的蛋白质含量增加了约35%,根、茎、叶中的氮含量分别增加了54%、94%、18%左右”。

三地轮种加紧育种,有望生产更优质的奶蛋肉

看到整株玉米的蛋白质含量大幅提升,巫永睿无比兴奋。“玉米生长到灌浆中期,整株都可以加工青贮饲料。”饲料蛋白质含量的提升,可让人们吃上更优质的牛奶、鸡蛋和肉类。

在获得了玉米高蛋白主效基因THP9-T后,巫永睿带领团队立即开展大规模田间试验,将其导入我国推广面积最大的玉米生产栽培品种郑单958中。为了争取时间,他们采取了上海-三亚-哈尔滨三地穿梭的轮种形式,尽可能不间断种植。

今年,他们种植了10亩试验田,共2万株玉米,每一株都需要人工授粉,而且不能出错,只能由研究组的学生和老师亲自完成。“大太阳下走进玉米田,花粉哗哗洒到皮肤上奇痒无比,有时不得不穿‘大白服’工作。玉米叶子也像刀子一样,一不小心就割一道口子。”论文第一作者、博士后黄永财说,尽管非常辛苦,但当他们发现THP9-T还能减少玉米种植的氮肥施用,仍十分惊喜,“这对于在低氮条件下促进玉米高产、稳产具有重要意义”。

巫永睿表示,团队已在为新发现的基因申请专利,并与安徽一家农业企业合作育种。此外,他们还发现了另外三个控制玉米蛋白含量的基因,未来将继续将其克隆并引入现代玉米中,争取让玉米作物的蛋白质含量提升至20%。



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