我国科学家从野生玉米中找回“丢失”的高蛋白基因

经过10年的努力，中国研究人员克隆了控制野生玉米高蛋白品质形成和氮高效利用的关键突变基因北京时间2022年11月17日，中国科学院分子植物科学卓越中心吴永瑞研究团队与上海师范大学王雯琴研究团队合作，这一成果发表在《自然》杂志上

玉米的祖先起源于南美洲墨西哥南部的巴尔萨斯河谷，被称为大刍草它像野草一样生长，种子外面包着硬壳，不能直接吃祖先早在9000年前就驯化了玉米现在，玉米已经成为世界上产量最高的作物之一，是最常用和使用最多的饲料但由于普通玉米籽粒蛋白质含量低，大多数杂交种蛋白质含量不足8%，饲料需要补充大豆蛋白，大豆严重依赖进口，成为我国畜禽养殖的瓶颈问题普通玉米蛋白质含量每增加一个百分点，就相当于从中国进口近800万吨大豆！因此，提高玉米蛋白含量不仅是保障国家粮食安全的重大战略需求，也是保障我国畜禽养殖业和饲料加工业健康发展的重要途径之一据吴永瑞介绍，野生玉米高蛋白形成的机制长期悬而未决，科学家一直在寻找控制玉米总蛋白含量和氮素高效利用的关键基因2012年，该团队开始寻找玉米的高蛋白供体材料，蛋白质含量测定，遗传分析和群体构建

研究发现，普通玉米自交系的蛋白质含量在10%左右，而不施氮肥的玉米祖先野生玉米的种子蛋白质含量高达30%，这表明野生玉米含有控制高蛋白质含量的关键基因这些基因是什么，在野生和现代玉米中到底改变了什么它们能被用来提高现代玉米的蛋白质含量吗起初，研究团队通过三代测序技术与三维基因组相结合的策略，破解了高度复杂的野生玉米基因组在这个过程中，提取了4万多份DNA样本进行基因型鉴定，测定了2万多份蛋白质含量样本进行表型分析最后从野生玉米中克隆出第一个控制玉米高蛋白含量的主基因THP9

接下来，研究团队在三亚南育种基地进行了大规模的田间试验，将野生玉米的高蛋白基因Thp9—T导入中国最大的玉米生产和栽培品种郑丹958，可以显著提高杂交种的籽粒蛋白质含量，表明该基因在培育高蛋白玉米方面具有重要的应用潜力同时，在减少氮肥施用的情况下，能够有效维持玉米的生物量和植株，籽粒中的含氮量，对促进低氮条件下玉米高产稳产具有重要意义

这项卓越的工作通过分子生物学，生物化学，比较基因组学，数量遗传学和育种的实验，解决了玉米蛋白质含量和游离氨基酸积累的遗传学问题，并展示了利用作物的野生亲缘关系实现可持续农业的巨大潜力业内专家对这一成果充满期待

据吴永瑞分析，由于化肥的过量使用，野生玉米的优良基因Thp9—T在长期的育种过程中没有受到选择压力该研究不仅成功克隆了野生玉米的突变基因Thp9—T，有利于提高现代栽培玉米籽粒蛋白质含量的遗传改良，而且对今后减少化肥施用和保护生态环境具有重要的指导意义，为新形势下构建和实施国家粮食安全战略，保障国家粮食安全和重要农产品有效供给，促进农业可持续发展提供了新的解决方案