新研究克隆出提高玉米蛋白含量關鍵基因

巫永睿（中）團隊在三亞南繁的試驗田里。受訪者供圖

■本報記者 張雙虎 ■黃辛

有測算表明，普通玉米蛋白含量每提高1個百分點，相當于中國每年可以少進口近800萬噸大豆。而科學家在最新的研究中，已成功將玉米蛋白含量提高了4個百分點。

11月17日，《自然》發表中科院分子植物科學卓越創新中心研究員巫永睿團隊、上海師范大學教授王文琴團隊與中國農科院深圳農業基因組研究所、美國亞利桑那大學等機構合作的研究成果。研究人員經過10年努力，從野生玉米中克隆了控制玉米高蛋白品質形成和氮素高效利用的關鍵變異基因THP9，并將其導入玉米自交系，使玉米蛋白含量大幅提高。

“我們在三亞南繁基地進行了大規模田間試驗，將野生玉米高蛋白基因導入我國推廣面積最大的玉米生產栽培品種，將蛋白含量提高至14%。”巫永睿告訴《中國科學報》。

“飼料之王”的短板

玉米的祖先起源于南美洲墨西哥南部巴爾薩斯河流域，被稱作大芻草。如今，玉米已成為世界上最高產的農作物之一。全球年產玉米12億噸，中國年產玉米2.7億噸，其中70%用作飼料。玉米產量高、有效能量多，有“飼料之王”的美稱。

隨著人們生活質量的提高，對肉蛋奶的需求不斷增加，玉米消費量也日益增加，致使近年來我國玉米進口量不斷提升。

但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%，因此畜禽養殖業要在飼料中補充大豆蛋白，這又導致我們還需要大量進口大豆。

巫永睿表示：“提高玉米蛋白含量不僅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殖業和飼料加工業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的難題，控制玉米總蛋白含量和氮素高效利用的關鍵基因一直未能找到。”

發現關鍵基因

2012年，巫永睿和王文琴團隊開始進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建。研究人員在實驗中發現，普通玉米自交系蛋白含量約為10%，而玉米祖先——野生玉米在沒有施氮肥條件下，種子蛋白含量高達30%，其含量是現代普通栽培玉米的3倍。

“這表明野生玉米含有控制高蛋白含量的關鍵基因。”巫永睿說。

但這些基因是什么、它們在野生和現代玉米中發生了什么改變、能否被挖掘用于提高現代玉米蛋白含量，這些問題一直沒有答案。

“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代玉米的差異就更大了。”巫永睿補充說，“為充分利用野生玉米基因資源，挖掘控制其高蛋白的優良變異基因，我們首先破解了高度復雜的野生玉米基因組。”

通過三代測序技術和三維基因組相結合的策略，研究人員摸索并成功拼裝出既雜合又復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。經過艱苦攻關，他們連續創制了超過10代的遺傳材料，終于構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，我們提取了超過4萬個樣本的DNA進行基因型鑒定，測定了超過2萬個樣本的蛋白含量進行表型分析，并分別在回交群體的第4代BC4、第6代BC6及第8代BC8進行了3次大規模高蛋白遺傳群體的測序以及精細圖位克隆，最終從野生玉米中克隆出首個控制玉米高蛋白含量的主效基因THP9。”論文共同第一作者、中科院分子植物科學卓越創新中心博士后黃永財對《中國科學報》說。

研究人員發現，該基因編碼天冬酰胺合成酶4（ASN4）——其是氮代謝的中心，負責合成天冬酰胺。天冬酰胺在氮循環中具有核心作用，并在氨基基團的分子間轉移反應中充當氮供體。因此，植物中的天冬酰胺水平與種子蛋白質含量密切相關。

實驗中，研究人員將野生玉米優良基因Thp9-T導入玉米自交系B73后，使種子蛋白含量增加約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%，并且植株整體重量也大大增加。

保障糧食安全的“捷徑”

完成理論研究后，團隊在三亞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雜交導入我國推廣面積最大的玉米生產栽培品種“鄭單958”中，發現雜交種籽粒蛋白含量顯著提高。

“我們在田間試驗中已經將玉米蛋白含量從10%提高至14%。后續我們會將其提高到16%，理想情況下有可能達到20%。”巫永睿說。如果玉米蛋白含量達到20%，其相對優勢會非常突出。

在大田試驗中，研究人員同時驗證了Thp9-T不僅顯著提高“鄭單958”的籽粒蛋白含量，而且在低氮條件下促進玉米高產穩產。

“使用該技術可以有效保持玉米的生物量以及植株、籽粒中的氮含量水平，既提高蛋白含量，又可以少用氮肥。”巫永睿補充說，“這對將來發展可持續農業和保護生態環境具有重要意義。”

審稿專家認為，這項工作通過分子生物學、生物化學、比較基因組學、定量遺傳學和育種等，解開了玉米蛋白含量和游離氨基酸積累的遺傳學謎題。

“高蛋白含量相關位點被識別并精確定位到THP9基因，然后引入現代玉米中，展示了利用作物野生親緣實現可持續農業的巨大潛力。”評審人說，“這顯示出對未來糧食安全的重要意義。”