前言

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(zhǎng)，種子外面包裹著堅(jiān)硬的殼，無法直接食用，因此人類祖先早在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。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。但由于玉米的野生祖先大芻草的種子蛋白質(zhì)含量是大多數(shù)現(xiàn)代自交系和雜交品種的三倍，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，提高玉米蛋白含量作為保障國(guó)家糧食安全的重大戰(zhàn)略需求。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。

野生玉米大芻草（左）和栽培玉米（右）

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Nature雜志上發(fā)表了題為的研究論文,經(jīng)過10年的不懈努力科研人員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關(guān)鍵變異基因。

研究?jī)?nèi)容

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（），用于野生玉米高蛋白基因的定位和克隆。

并通過基于圖譜的克隆，在9號(hào)染色體上鑒定了一個(gè)主要的高蛋白數(shù)量性狀位點(diǎn)TEOSINTE HIGH PROTEIN 9 (THP9)。該基因編碼天冬酰胺合成酶4 (ASN4)，ASN是氮代謝的中心，負(fù)責(zé)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(tuán)的分子間轉(zhuǎn)移反應(yīng)中充當(dāng)?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(dá)，而B73和一些玉米自交系中含有Thp9的突變形式Thp9-B，導(dǎo)致 ASN4 的表達(dá)量較低。THP9-T基因?qū)氍F(xiàn)代玉米自交系和雜交系后，在不影響產(chǎn)量的前提下，大大提高了玉米植株中游離氨基酸的積累，尤其是天冬酰胺，并提高了種子蛋白質(zhì)含量。THP9-T可提高氮素利用效率，對(duì)促進(jìn)低氮條件下的高產(chǎn)具有重要意義。

研究路線

研究結(jié)果

1、相比于普通玉米，野生大芻草蛋白含量高

在玉米的馴化和人工選擇過程中，許多性狀都發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的改變(圖1a)。為研究大芻草與現(xiàn)代玉米自交系種子蛋白質(zhì)含量的差異，該研究使用高通量快速氮分析儀來測(cè)定種子蛋白含量和植物組織中的氮含量，所有大芻草品系的種子蛋白質(zhì)含量均在30%左右，而玉米自交系種子的蛋白質(zhì)含量在6.5% ~ 16.5%之間，平均為11.5%(圖1b)。這表明，野生玉米含有控制高蛋白含量的關(guān)鍵基因。

該研究發(fā)現(xiàn)野生玉米Ames 21814的所有組織中的天冬酰胺水平顯著高于B73(圖1c)。在玉米中，玉米醇溶蛋白是主要的胚乳貯藏蛋白，占總蛋白的60%以上。SDS-PAGE顯示，大芻草中玉米醇溶蛋白和非玉米醇溶蛋白的積累明顯高于B73種子，且增加最多的組分為α-zein基因家族。因此，研究人員開始研究大芻草中α-zein基因的拷貝數(shù)。

圖1 | 大芻草和現(xiàn)代玉米的蛋白質(zhì)含量和基因組序列比較

2、Ames 21814單倍體的組裝及高蛋白基因THP9的確定

為了野生玉米高蛋白α-zein基因的定位和克隆，該研究通過三代測(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（基因組denovo）出既雜合又復(fù)雜的野生玉米高質(zhì)量的單倍體基因組。

為了鑒定Ames 21814中與高蛋白性狀相關(guān)的基因，該實(shí)驗(yàn)將Ames 21814作為高蛋白供體親本，B73作為回交親本，創(chuàng)建了一系列連續(xù)回交群體。結(jié)果表明：F2種子的蛋白質(zhì)含量(19.9±1.2%)幾乎是F1和B73種子的兩倍，且高蛋白性狀受到多個(gè)遺傳位點(diǎn)的調(diào)控。為了鑒定影響蛋白含量的遺傳位點(diǎn)，該研究對(duì)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，該研究發(fā)現(xiàn)野生玉米優(yōu)良基因Thp9-T顯著高表達(dá)，而現(xiàn)代玉米B73和一些玉米自交系中的突變基因Thp9-B，導(dǎo)致ASN4的表達(dá)量較低（圖2）。

圖2 | 基于圖譜的THP9克隆與表達(dá)

3、THP9的驗(yàn)證和自然變異

為了研究THP9-T能否使現(xiàn)代玉米種子提高蛋白質(zhì)含量，該研究使用泛素啟動(dòng)子在轉(zhuǎn)基因植物中表達(dá)該等位基因，與非轉(zhuǎn)基因植株相比，THP9-T過表達(dá)植株的葉片和根部的ASN4轉(zhuǎn)錄物和ASN4蛋白水平顯著提高，研究人員對(duì)2019年和2020年生長(zhǎng)的405和437個(gè)自交系的種子蛋白質(zhì)含量進(jìn)行GWAS分析，發(fā)現(xiàn)9號(hào)染色體THP9位點(diǎn)側(cè)邊有一個(gè)300 kb的顯著峰值(圖3e)。這表明ASN4第10內(nèi)含子缺失的長(zhǎng)度與最終轉(zhuǎn)錄水平有關(guān)。綜上所述，這些結(jié)果支持THP9是影響自交系間種子蛋白質(zhì)含量變化的主要基因的假設(shè)。

圖3 | THP9的遺傳確認(rèn)和自然變異

4、THP9可提高氮肥利用率

由于THP9-T增加了植物體內(nèi)游離氨基酸的含量，進(jìn)而促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)發(fā)育和種子中蛋白質(zhì)的積累，那么是否THP9-T可以增加植物的氮肥利用率？因此，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（圖4）。

圖4 | NILTeo和NILB73的氮素利用率

總結(jié)

本項(xiàng)研究從野生玉米中發(fā)現(xiàn)一個(gè)控制高蛋白玉米形成的關(guān)鍵優(yōu)異變異基因Thp9-T，它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)，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。

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