如何讓玉米蛋白質含量更高？

  北京時間2022年11月17日，中國科學院分子植物科學卓越創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Nature上發表了題為 《THP9 enhances seed protein content and nitrogen-use efficiency in maize》的研究論文。

  經過10年堅持不懈的努力，科研人員終于從野生玉米中克隆了控制玉米高蛋白品質形成和氮素高效利用的關鍵變異基因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，叫做大芻草，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年以前就開始馴化玉米，逐步把雜草一樣的野生玉米大芻草改造成了今天的玉米。

人類祖先早在9000年以前就開始馴化玉米，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的農作物之一，全球年產12億噸，中國年產2.7億噸。其中，70%的玉米都是用作飼料，玉米產量高，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。

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

  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%，因此飼料中需要補充大豆蛋白，然而大豆嚴重依賴進口，這些成為了我國畜禽養殖業的“卡脖子”問題。如果普通玉米蛋白含量每提高一個百分點，相當于中國可以少進口近800萬噸大豆。

  因此，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世紀難題，控制玉米總蛋白含量和氮素高效利用的關鍵基因一直還沒找到。

  研究團隊于2012年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。實驗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加氮肥條件下種子蛋白含量都高達30%，其含量是現代普通栽培玉米的3倍，表明野生玉米含有控制高蛋白含量的關鍵基因。

巫永睿研究團隊在玉米田工作照，站中間者為巫永睿。

  這些基因是什么，它們在野生和現代玉米中到底發生了什么改變？它們能否被挖掘用于提高現代玉米的蛋白含量？

  實際上，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。

  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良變異基因，研究團隊首先破解了高度復雜的野生玉米基因組。他們通過三代測序技術和三維基因組相結合的策略，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（Zea mays ssp. parviglumis, accession number Ames21814），用于野生玉米高蛋白基因的定位和克隆。

  研究團隊經過艱苦攻關，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，他們提取了超過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（n=500）、第6代BC6（n=1314）以及第8代BC8（n=1344）進行了3次大規模高蛋白遺傳群體的測序以及精細的圖位克隆，最終從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。

研究成果模型

  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。研究發現野生玉米優良基因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。

  野生玉米優良基因Thp9-T導入玉米自交系B73后，使種子蛋白質含量增加約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，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用潛能。

  “種玉米之路，是艱辛而快樂的。”巫永睿研究員說，玉米桿太高大了，他帶著學生走進田里都會被淹沒，花粉刷刷地掉在身上，奇癢無比，鋒利的葉片還會劃出一道道傷痕。

  十畝地，兩萬株玉米，巫永睿帶著三五個學生，從早上8點干到下午3點進行人工授粉，幸好大家深懷著對科學的信念，堅持了下來。

巫永睿研究團隊工作照

  有意思的是，中國科學院分子植物科學卓越創新中心巫永睿研究員和上海師范大學王文琴研究員是一對科研夫婦，一人在田間地頭，一人在計算機房，共同鑄就了植物研究的輝煌。

王文琴與巫永睿

  巫永睿介紹，這項研究成果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，這對于在低氮條件下促進玉米高產、穩產具有重要意義。

  記者了解到，目前這項研究成果已經走上了科技成果轉化之路，通過和安徽的一家育種公司的合作，或將真正走向市場。

  本項研究不僅成功克隆了野生玉米變異基因Thp9-T，有利于現代栽培玉米提高籽粒蛋白含量的遺傳改良，而且對將來減少化肥施用和保護生態環境具有重要指導意義，為構建和實施新形勢下的國家糧食安全戰略，確保國家糧食安全和重要農產品有效供給，促進農業可持續發展提供新的解決方案。

玉米田