科學家克隆野生玉米變異基因

　　11月17日，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心巫永睿研究團隊與上海師范大學王文琴研究團隊合作，在《自然》（Nature）上，發(fā)表了題為THP9 enhances seed protein content and nitrogen-use efficiency in maize的研究論文?？蒲腥藛T經(jīng)過堅持不懈的努力，在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）。

 

　　玉米的祖先起源于南美洲墨西哥南部的巴爾薩斯河流域，名為“大芻草”。它像雜草一樣生長，種子外面包裹著堅硬的殼，無法直接食用。人類祖先早在9000年以前開始馴化玉米，逐步把雜草一樣的野生玉米大芻草改造成了今天的玉米。如今，玉米已成為世界上最高產(chǎn)的農(nóng)作物之一。玉米產(chǎn)量高，有效能量多，是最常用且用量最大的飼料之一，故有“飼料之王”的美稱。隨著人們生活質(zhì)量提高，肉蛋奶需求增加，玉米的消費量日益增加，致使近年來玉米進口量不斷提升。提高玉米蛋白含量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理是長期以來懸而未決的難題，同時，控制玉米總蛋白含量和氮素高效利用的關(guān)鍵基因尚未找到。

 

　　科研團隊于2012年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(gòu)建。實驗發(fā)現(xiàn)，普通玉米自交系蛋白含量約為10%，而玉米祖先野生玉米在未施加氮肥條件下種子蛋白含量達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。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？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。

 

　　為了充分利用野生玉米的基因資源，挖掘控制野生玉米高蛋白的優(yōu)良變異基因，研究團隊破解了高度復雜的野生玉米基因組。研究采用三代測序技術(shù)和三維基因組相結(jié)合的策略，摸索并拼裝出既雜合又復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?？蒲腥藛T經(jīng)過艱苦攻關(guān)，連續(xù)創(chuàng)制了超過10代的遺傳材料，構(gòu)建出野生玉米和普通玉米自交系B73的高世代近等基因系群體。在這一過程中，研究提取了超過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（n=500）、第6代BC6（n=1314）以及第8代BC8（n=1344）進行了3次大規(guī)模高蛋白遺傳群體的測序以及精細的圖位克隆，最終在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。該基因編碼天冬酰胺合成酶4 （ASN4），ASN是氮代謝的中心，負責合成天冬酰胺。天冬酰胺在氮循環(huán)中具有核心作用，并在氨基基團的分子間轉(zhuǎn)移反應中充當?shù)w。因此，植物中的天冬酰胺水平與種子蛋白質(zhì)含量密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，野生玉米優(yōu)良基因Thp9-T顯著高表達，而B73和一些玉米自交系中含有Thp9的突變形式Thp9-B，導致ASN4的表達量較低。野生玉米優(yōu)良基因Thp9-T導入玉米自交系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%，且生物量即植株整體重量增加。

 

　　此外，研究團隊在三亞南繁基地開展了大規(guī)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(chǎn)栽培品種鄭單958中，可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用潛能；同時，在減少氮肥施用條件下，可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玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

 

　　本研究在野生玉米中發(fā)現(xiàn)一個控制高蛋白玉米形成的關(guān)鍵優(yōu)異變異基因Thp9-T，其可以提高玉米中氮的同化效率從而有利于產(chǎn)生更多的蛋白質(zhì)。研究表明，將Thp9-T導入現(xiàn)代玉米品種，提高了氨基酸水平，尤其是天冬酰胺，且在不影響粒重的情況下增加了種子蛋白質(zhì)含量。同時，在大田試驗中，本研究也驗證了Thp9-T在高蛋白育種改良過程中具有重要作用，顯著提高玉米栽培品種鄭單958的籽粒蛋白含量，并在低氮條件下能有效保持玉米的生物量以及植株和籽粒氮含量水平，這為今后該基因的進一步推廣應用奠定了堅實基礎。

 

　　由于化肥的過度使用，野生玉米優(yōu)良基因Thp9-T在長期的育種過程中未受到選擇壓力。本研究不僅克隆了野生玉米變異基因Thp9-T，利于現(xiàn)代栽培玉米提高籽粒蛋白含量的遺傳改良，而且對未來減少化肥施用和保護生態(tài)環(huán)境具有重要指導意義，并為構(gòu)建和實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，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供新的解決方案。

 

　　研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）、國家自然科學基金、中國博士后科學基金、上海“超級博士后”激勵計劃的支持。齊魯師范學院、山東農(nóng)業(yè)大學、深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所、美國亞利桑那大學的科研人員參與研究。