【科技前沿】

　　光明日報上海11月17日電（記者顏維琦）經(jīng)過10年努力，我國科研人員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——北京時間2022年11月17日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心巫永睿研究團隊與上海師范大學(xué)王文琴研究團隊合作完成的這一成果在《自然》（Nature）上發(fā)表。

　　玉米的祖先起源于南美洲墨西哥南部的巴爾薩斯河流域，叫作大芻草，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，如今，玉米已成為世界上最高產(chǎn)的農(nóng)作物之一，并且是最常用且用量最大的一種飼料。然而，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%，飼料中需要補充大豆蛋白，而大豆嚴(yán)重依賴進口，成為我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的“卡脖子”問題?！捌胀ㄓ衩椎鞍缀棵刻岣咭粋€百分點，相當(dāng)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(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?！蔽子李＝榻B，野生玉米高蛋白形成的機理長期以來懸而未決，科學(xué)家們一直在尋找控制玉米總蛋白含量和氮素高效利用的關(guān)鍵基因。2012年，團隊開始了對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”野生玉米在沒有施加氮肥條件下種子蛋白含量高達30%，這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？研究團隊首先通過三代測序技術(shù)和三維基因組相結(jié)合的策略，破解了高度復(fù)雜的野生玉米基因組。在這個過程中，提取超過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，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。

　　接下來，研究團隊在三亞南繁基地進行了大規(guī)模田間試驗，將野生玉米高蛋白基因Thp9-T雜交導(dǎo)入我國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，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(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

　　“這項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)和育種等實驗，解開了玉米蛋白質(zhì)含量和游離氨基酸積累的遺傳學(xué)，展示了利用作物的野生親緣來實現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)的巨大潛力?！睒I(yè)內(nèi)專家對這一成果充滿期待。

　　巫永睿分析，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沒有受到選擇壓力。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(xiàn)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(tài)環(huán)境具有重要指導(dǎo)意義，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。