花10年時(shí)間引入玉米祖先的優(yōu)質(zhì)基因,我國(guó)科學(xué)家讓玉米變得更有“營(yíng)養(yǎng)”
中國(guó)青年報(bào)客戶端上海11月17日電(中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 王燁捷)北京時(shí)間2022年11月17日,中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心巫永睿研究團(tuán)隊(duì)與上海師范大學(xué)王文琴研究團(tuán)隊(duì)合作在英國(guó)《自然》雜志發(fā)表一篇論文。經(jīng)過10年的努力,科研人員終于從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)。
玉米是世界三大糧食作物之一,玉米的產(chǎn)量和質(zhì)量直接關(guān)系到一個(gè)國(guó)家的糧食安全。玉米目前已經(jīng)成為世界上最高產(chǎn)的農(nóng)作物之一,全球年產(chǎn)12億噸,中國(guó)年產(chǎn)2.7億噸。其中,70%的玉米都是用作飼料。玉米產(chǎn)量高、有效能量多,是最常用且用量最大的一種飼料,故有“飼料之王”的美稱。
THP9基因作用于玉米科普簡(jiǎn)介視頻。中科院植生所提供
隨著人們生活質(zhì)量的提高,對(duì)肉蛋奶的需求不斷增加,玉米的消費(fèi)量也日益增加,致使近年來玉米進(jìn)口量也不斷提升。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%,因此飼料中需要補(bǔ)充大豆蛋白,然而大豆嚴(yán)重依賴進(jìn)口,這些成為我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的“卡脖子”問題。如果能使得普通玉米蛋白含量提高一個(gè)百分點(diǎn),相當(dāng)于中國(guó)可以少進(jìn)口近800萬噸大豆。因此,提高玉米蛋白含量不僅是保障國(guó)家糧食安全的重大戰(zhàn)略需求,也是保障我國(guó)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(jī)理是長(zhǎng)期以來懸而未決的世紀(jì)難題,控制玉米總蛋白含量和氮素高效利用的關(guān)鍵基因一直還沒找到。
巫永睿研究團(tuán)隊(duì)于2012年開始進(jìn)行玉米高蛋白供體材料的尋找、蛋白含量測(cè)定、遺傳分析以及群體構(gòu)建。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)普通玉米自交系蛋白含量約為10%,而野生玉米在沒有施加氮肥條件下種子蛋白含量都高達(dá)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。但這些基因是什么,它們?cè)谝吧同F(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?
論文部分圖文解說頁面截取。中科院植生所供圖
為了充分利用野生玉米的基因資源,挖掘控制其高蛋白的優(yōu)良變異基因,研究團(tuán)隊(duì)首先破解了高度復(fù)雜的野生玉米基因組。他們通過三代測(cè)序技術(shù)和三維基因組相結(jié)合的策略,摸索并成功拼裝出既雜合又復(fù)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。研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過艱苦攻關(guān),連續(xù)創(chuàng)制了超過10代的遺傳材料,終于構(gòu)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(gè)過程中,他們提取了超過4萬個(gè)樣本的DNA進(jìn)行基因型鑒定,測(cè)定了超過2萬個(gè)樣本的蛋白含量進(jìn)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(jìn)行了3次大規(guī)模高蛋白遺傳群體的測(cè)序以及精細(xì)的圖位克隆,最終從野生玉米中克隆到首個(gè)控制玉米高蛋白含量的主效基因THP9。
研究發(fā)現(xiàn)野生玉米優(yōu)良基因Thp9-T顯著高表達(dá)。野生玉米優(yōu)良基因Thp9-T導(dǎo)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%,并且生物量即植株整體重量也大大增加。
此外,研究團(tuán)隊(duì)在三亞南繁基地進(jìn)行了大規(guī)模田間試驗(yàn),將野生玉米高蛋白基因Thp9-T雜交導(dǎo)入我國(guó)推廣面積最大的玉米生產(chǎn)栽培品種鄭單958中,可以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(yīng)用潛能。同時(shí),在減少氮肥施用條件下,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,這對(duì)于在低氮條件下促進(jìn)玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。本項(xiàng)研究不僅成功克隆了野生玉米變異基因Thp9-T,有利于現(xiàn)代栽培玉米提高籽粒蛋白含量的遺傳改良,而且對(duì)將來減少化肥施用和保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要指導(dǎo)意義,為構(gòu)建和實(shí)施新形勢(shì)下的國(guó)家糧食安全戰(zhàn)略,確保國(guó)家糧食安全和重要農(nóng)產(chǎn)品有效供給,促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供新的解決方案。中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心黃永財(cái)博士后、王海海副研究員、朱一棟博士生為本文的共同第一作者,巫永睿研究員和上海師范大學(xué)王文琴教授為本文共同通訊作者。本研究得到中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)B項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金,中國(guó)博士后科學(xué)基金,上海“超級(jí)博士后”激勵(lì)計(jì)劃的資助?!蹲匀弧冯s志專家點(diǎn)評(píng)認(rèn)為,這項(xiàng)了不起的工作通過分子生物學(xué)、生物化學(xué)、比較基因組學(xué)、定量遺傳學(xué)和育種等實(shí)驗(yàn),解開了玉米蛋白質(zhì)含量和游離氨基酸積累的遺傳學(xué)。作者從玉米的野生親緣大芻草中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有望提高玉米蛋白質(zhì)含量和氮利用效率的靶點(diǎn)。這項(xiàng)工作展示了利用作物的野生親緣來實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)的巨大潛力,“這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了將野生祖先的遺傳變異引入優(yōu)質(zhì)作物的潛力,以促進(jìn)更可持續(xù)的農(nóng)業(yè)和未來的糧食安全?!?/p>
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