12月8日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所作物分子育種技術(shù)和應(yīng)用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)聯(lián)合河南農(nóng)業(yè)大學(xué)鑒定到調(diào)控鐵進(jìn)入玉米籽粒的關(guān)鍵基因ZmNAC78，首次解析了該基因和金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白共同組成一個(gè)分子開關(guān)控制鐵元素進(jìn)入玉米籽粒的分子機(jī)制。利用該基因使玉米籽粒中的鐵含量顯著提高到每公斤70.5 mg，比現(xiàn)有生產(chǎn)用玉米籽粒含鐵量超出2倍以上。同時(shí)，利用開發(fā)的分子標(biāo)記，培育出籽粒富鐵的玉米新品系。該研究為解決“隱性饑餓”—鐵等微量元素缺乏問題提供了新基因，為培育富鐵作物品種提供了理論和技術(shù)支撐。相關(guān)研究成果以研究長文的形式在線發(fā)表于《科學(xué)（Science）》。
據(jù)李文學(xué)研究員介紹，全球大約有三分之一的人口受到缺鐵引起的貧血病困擾，根據(jù)第四次全國營養(yǎng)調(diào)查的數(shù)據(jù)，中國居民貧血患病率為20.1%，其中一半為缺鐵性貧血。雖然依靠服用補(bǔ)鐵劑等手段可以改善人的鐵營養(yǎng)狀況，但是成本較高。如果能將日常食用作物鐵含量提高，有助于從根本上低成本地改善大范圍人群的鐵營養(yǎng)狀況，這對(duì)于以玉米為主食的發(fā)展中國家意義尤其重大。然而，一般而言，玉米籽粒鐵含量與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，這極大限制了培育既高產(chǎn)又富鐵的玉米新品種。2004年，國際農(nóng)業(yè)研究磋商組織（CGIAR）設(shè)立“生物強(qiáng)化挑戰(zhàn)項(xiàng)目”，目前水稻方面已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，但由于玉米籽粒結(jié)構(gòu)不同，鐵等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入需要通過基底胚乳傳遞細(xì)胞傳遞，其生物學(xué)路徑一直是植物營養(yǎng)領(lǐng)域懸而未決的問題。
在該項(xiàng)研究中，研究人員利用273份玉米自交系基因型數(shù)據(jù)結(jié)合6份極端材料轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，鎖定一個(gè)參與調(diào)控玉米籽粒鐵含量的候選基因ZmNAC78。ZmNAC78在玉米授粉后16-24天的胚乳中高表達(dá)，也是營養(yǎng)物質(zhì)在玉米籽粒中快速積累的時(shí)期。ZmNAC78過表達(dá)轉(zhuǎn)基因玉米籽粒鐵含量達(dá)到每公斤70.5 mg，顯著高于“生物強(qiáng)化挑戰(zhàn)項(xiàng)目”為玉米設(shè)定的玉米籽粒鐵含量每公斤60 mg的目標(biāo)。
研究人員進(jìn)一步解析了鐵元素如何進(jìn)入到玉米籽粒的分子路徑。實(shí)驗(yàn)顯示，ZmNAC78在玉米營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入子代的唯一界面—玉米籽粒基底胚乳傳遞細(xì)胞中優(yōu)勢表達(dá)，能夠直接激活金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ZmYSL11、ZmNRAMP3與ZmHMA8。實(shí)驗(yàn)證明，3個(gè)鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白均在胚乳發(fā)育早期高表達(dá)，且這3個(gè)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白也在基底胚乳傳遞細(xì)胞表達(dá)，與ZmNAC78表達(dá)時(shí)間、空間位置一致?；蚬δ苋笔蛔凅w實(shí)驗(yàn)顯示這些金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在鐵元素進(jìn)入玉米籽粒路徑中起到重要的作用，明確了在基底胚乳傳遞細(xì)胞中，ZmNAC78和金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白共同組成一個(gè)分子開關(guān)控制鐵元素進(jìn)入玉米籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)通路。
此外，為探索ZmNAC78在育種上的應(yīng)用，研究人員將玉米分為籽粒鐵含量高的單倍型1與籽粒鐵含量低的單倍型2，利用ZmNAC78核心啟動(dòng)子序列多態(tài)性開發(fā)功能分子標(biāo)記。為避免土壤酸堿度等環(huán)境因素影響，研究人員將選育的3個(gè)單倍型1組配在黃淮海地區(qū)（河南省新鄉(xiāng)市原陽縣，pH8.5）和西南玉米區(qū)（廣西省南寧市，pH6.4）分別試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其籽粒鐵含量均高于單倍型2組配，平均高出25.82% ~ 33.91%，并且所選育的組配材料也顯著高于國內(nèi)雜交玉米品種每公斤18.5 mg的籽粒平均鐵含量。尤其是組配1的籽粒鐵含量與產(chǎn)量均高于我國區(qū)試對(duì)照品種鄭單958，表明ZmNAC78為作為玉米鐵營養(yǎng)關(guān)鍵基因且對(duì)產(chǎn)量沒有負(fù)面影響，為未來培育高產(chǎn)且富鐵的玉米新品種提供了可行方案。
該研究在揭開鐵進(jìn)入玉米籽粒的生物學(xué)路徑的同時(shí)，也為解析營養(yǎng)物質(zhì)如何進(jìn)入小麥等具有傳遞細(xì)胞的禾谷類作物提供了新思路。該研究還開發(fā)了富鐵玉米新品種培育的分子標(biāo)記并率先應(yīng)用，選育出富鐵的玉米新組合，為解決鐵等微量元素缺乏的“隱性饑餓”問題提供了新材料，為培育高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)協(xié)同的作物品種提供了理論和技術(shù)支撐。
中國農(nóng)科院作科所博士后閆鵬帥為該論文的第一作者，作科所李文學(xué)研究員和河南農(nóng)業(yè)大學(xué)湯繼華教授為共同通訊作者。本研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程、國家自然科學(xué)基金和海南崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的資助。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf3256
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