中国青年报：花10年时间引入玉米祖先的优质基因，我国科学家让玉米变得更有“营养”

中国青年报客户端上海11月17日电（中青报·中青网记者 王烨捷）北京时间2022年11月17日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿研究团队与上海师范大学王文琴研究团队合作在英国《自然》杂志发表一篇论文。经过10年的努力，科研人员终于从野生玉米中克隆了控制玉米高蛋白品质形成和氮素高效利用的关键变异基因Teosinte High Protein 9 (THP9)。

玉米是世界三大粮食作物之一，玉米的产量和质量直接关系到一个国家的粮食安全。玉米目前已经成为世界上最高产的农作物之一，全球年产12亿吨，中国年产2.7亿吨。其中，70%的玉米都是用作饲料。玉米产量高、有效能量多，是最常用且用量最大的一种饲料，故有“饲料之王”的美称。

THP9基因作用于玉米科普简介视频。中科院植生所提供

随着人们生活质量的提高，对肉蛋奶的需求不断增加，玉米的消费量也日益增加，致使近年来玉米进口量也不断提升。由于普通玉米籽粒蛋白含量较低，大部分杂交种籽粒蛋白含量不到8%，因此饲料中需要补充大豆蛋白，然而大豆严重依赖进口，这些成为我国畜禽养殖业的“卡脖子”问题。如果能使得普通玉米蛋白含量提高一个百分点，相当于中国可以少进口近800万吨大豆。因此，提高玉米蛋白含量不仅是保障国家粮食安全的重大战略需求，也是保障我国畜禽养殖业和饲料加工业健康发展的重要途径之一。

然而，野生玉米高蛋白形成的机理是长期以来悬而未决的世纪难题，控制玉米总蛋白含量和氮素高效利用的关键基因一直还没找到。

巫永睿研究团队于2012年开始进行玉米高蛋白供体材料的寻找、蛋白含量测定、遗传分析以及群体构建。实验发现普通玉米自交系蛋白含量约为10%，而野生玉米在没有施加氮肥条件下种子蛋白含量都高达30%，其含量是现代普通栽培玉米的3倍，表明野生玉米含有控制高蛋白含量的关键基因。但这些基因是什么，它们在野生和现代玉米中到底发生了什么改变？它们能否被挖掘用于提高现代玉米的蛋白含量？

为了充分利用野生玉米的基因资源，挖掘控制其高蛋白的优良变异基因，研究团队首先破解了高度复杂的野生玉米基因组。他们通过三代测序技术和三维基因组相结合的策略，摸索并成功拼装出既杂合又复杂的野生玉米单倍体基因组（Zea mays ssp. parviglumis, accession number Ames21814），用于野生玉米高蛋白基因的定位和克隆。研究团队经过艰苦攻关，连续创制了超过10代的遗传材料，终于构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体。在这个过程中，他们提取了超过4万个样本的DNA进行基因型鉴定，测定了超过2万个样本的蛋白含量进行表型分析，并分别在回交群体的第4代BC4（n=500）、第6代BC6（n=1314）以及第8代BC8（n=1344）进行了3次大规模高蛋白遗传群体的测序以及精细的图位克隆，最终从野生玉米中克隆到首个控制玉米高蛋白含量的主效基因THP9。

研究发现野生玉米优良基因Thp9-T显著高表达。野生玉米优良基因Thp9-T导入玉米自交系B73后，使种子蛋白质含量增加约35%，根中氮含量增加约54%，茎中氮含量增加约94%，叶片中氮含量增加约18%，并且生物量即植株整体重量也大大增加。

此外，研究团队在三亚南繁基地进行了大规模田间试验，将野生玉米高蛋白基因Thp9-T杂交导入我国推广面积最大的玉米生产栽培品种郑单958中，可以显著提高杂交种籽粒蛋白含量，表明该基因在培育高蛋白玉米中具有重要的应用潜能。同时，在减少氮肥施用条件下，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，这对于在低氮条件下促进玉米高产、稳产具有重要意义。本项研究不仅成功克隆了野生玉米变异基因Thp9-T，有利于现代栽培玉米提高籽粒蛋白含量的遗传改良，而且对将来减少化肥施用和保护生态环境具有重要指导意义，为构建和实施新形势下的国家粮食安全战略，确保国家粮食安全和重要农产品有效供给，促进农业可持续发展提供新的解决方案。中国科学院分子植物科学卓越创新中心黄永财博士后、王海海副研究员、朱一栋博士生为本文的共同第一作者，巫永睿研究员和上海师范大学王文琴教授为本文共同通讯作者。本研究得到中国科学院先导B项目和国家自然科学基金，中国博士后科学基金，上海“超级博士后”激励计划的资助。《自然》杂志专家点评认为，这项了不起的工作通过分子生物学、生物化学、比较基因组学、定量遗传学和育种等实验，解开了玉米蛋白质含量和游离氨基酸积累的遗传学。作者从玉米的野生亲缘大刍草中发现了一个有望提高玉米蛋白质含量和氮利用效率的靶点。这项工作展示了利用作物的野生亲缘来实现可持续农业的巨大潜力，“这项工作强调了将野生祖先的遗传变异引入优质作物的潜力，以促进更可持续的农业和未来的粮食安全。”

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