中国科学家成功克隆野生玉米变异基因，可有效提高玉米蛋白含量

·普通玉米自交系的蛋白含量约为10%，而野生玉米在没有施用氮肥的条件下，其种子蛋白含量都高达30%，是现代普通栽培玉米的3倍。这表明，野生玉米含有控制高蛋白含量的关键基因。但这些关键基因是什么？

经过10年不懈的努力，中国科学院和上海师范大学科研人员成功克隆到野生玉米高蛋白的关键主效基因Teosinte High Protein 9 (THP9)，可用于育种，来显著提高现代栽培玉米的蛋白含量，为粮食安全、保护生态环境和农业的可持续发展保驾护航。

11月17日，上述研究成果在线发表在国际学术期刊《自然》（Nature）上。

论文标题是《THP9基因提高玉米种子蛋白质含量和氮素利用效率》“THP9 enhances seed protein content and nitrogen-use efficiency in maize”。

论文的通讯作者是中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员巫永睿和上海师范大学教授王文琴。值得一提的是，他们是一对科研夫妇。

玉米蛋白含量提高1%，可少进口800万吨大豆

专家们在16日召开的发布会上介绍，70%的玉米都是用作饲料，故有“饲料之王”的美称。但由于普通玉米籽粒蛋白含量较低，大部分杂交种籽粒蛋白含量不到8%，因此饲料中需要补充大豆蛋白。然而大豆严重依赖进口，这些成为了我国畜禽养殖业的“卡脖子”问题。如果普通玉米蛋白含量每提高一个百分点，相当于中国可以少进口近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。

专家点评称，“这项了不起的工作，通过分子生物学、生物化学、比较基因组学、定量遗传学和育种等实验，解开了玉米蛋白质含量和游离氨基酸积累的遗传学。作者从玉米的野生亲缘大刍草中发现了一个有望提高玉米蛋白质含量和氮利用效率的靶点。这项工作展示了利用作物的野生亲缘来实现可持续农业的巨大潜力。”

上述论文中发现的新基因被命名为Teosinte High Protein 9 (THP9)。它是野生玉米中控制玉米高蛋白品质形成和氮素高效利用的关键基因。

野生玉米大刍草(左)和栽培玉米(右)。

更重要的是，科学家们通过杂交育种技术，目前已成功将上述高蛋白基因导入到我国推广面积最大的玉米生产栽培品种、原玉米品种郑单958中。

专家们表示，即使少施氮肥化肥，该玉米新品种也可以有效保持玉米植株和籽粒中的蛋白含量。目前，科学家已开始与安徽一家公司展开合作。

玉米的祖先被称为大刍草，起源于南美洲墨西哥南部的巴尔萨斯河流域。大刍草的种子外面包裹着坚硬的壳，无法直接食用。人类早在9000年以前就开始驯化玉米，逐步把杂草一样的野生玉米——大刍草改造成了今天的玉米。

如今，玉米已成为世界上最高产的农作物之一，全球年产12亿吨，中国年产2.7亿吨。由于化肥的过度使用，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。

突破三重困难，锁定玉米高蛋白基因

野生玉米THP9基因提高玉米蛋白含量和氮素高效利用效率。

研究团队实验发现，普通玉米自交系的蛋白含量约为10%，而野生玉米在没有施用氮肥的条件下，其种子蛋白含量都高达30%，是现代普通栽培玉米的3倍。这表明，野生玉米含有控制高蛋白含量的关键基因。

这些关键基因是什么？它们在野生和现代玉米中到底发生了什么改变？它们能否被挖掘用于提高现代玉米的蛋白含量？这些问题都有待回答。

但困难重重。

首先，野生玉米基因组此前尚未被测序。

专家们表示，不同的现代玉米的自交系之间的遗传变异大于人类与黑猩猩之间的差异，而9000年前的野生玉米与现代玉米的差异就更大了。

从2012年开始，研究团队开始进行玉米高蛋白供体材料的寻找、蛋白含量测定、遗传分析以及群体构建。

他们首先破解了高度复杂的野生玉米基因组。通过三代测序技术和三维基因组相结合的策略，研究人员摸索并成功拼装出既杂合又复杂的野生玉米高质量的单倍体基因组，用于野生玉米高蛋白基因的定位和克隆。

其次，要在大量基因中锁定目标——能够控制玉米种子蛋白质含量的基因。

经过艰苦攻关，研究团队连续创制了超过10代的遗传材料，终于构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体。在这个过程中，他们提取了超过4万个样本的DNA进行基因型鉴定，测定了超过2万个样本的蛋白含量进行表型分析，并分别在回交群体的第4代BC4（n=500）、第6代BC6（n=1314）以及第8代BC8（n=1344）进行了3次大规模高蛋白遗传群体的测序以及精细的图位克隆，最终从野生玉米中克隆到首个控制玉米高蛋白含量的主效基因THP9。

THP9基因编码天冬酰胺合成酶4（ASN4），负责合成天冬酰胺。而天冬酰胺在氮循环中具有核心作用，并在氨基基团的分子间转移反应中充当氮供体。因此，植物中的天冬酰胺水平与种子蛋白质含量密切相关。

研究发现，野生玉米优良基因Thp9-T显著高表达，而现代玉米B73和一些玉米自交系中的突变基因Thp9-B，导致ASN4的表达量较低。

最后，还要测试THP9基因能否使现代玉米种子提高蛋白质含量。

研究人员发现，将野生玉米优良基因Thp9-T导入玉米自交系B73后，后者种子蛋白质含量增加约35%，根中氮含量增加约54%，茎中氮含量增加约94%，叶片中氮含量增加约18%，并且生物量即植株整体重量也大大增加。

此外，研究团队在三亚南繁基地进行了大规模田间试验，将野生玉米高蛋白基因Thp9-T杂交导入我国推广面积最大的玉米生产栽培品种郑单958中，可以显著提高杂交种籽粒蛋白含量。这表明，该基因在培育高蛋白玉米中具有重要的应用潜能；同时，在减少氮肥施用条件下，也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，这对于在低氮条件下促进玉米高产、稳产具有重要意义。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员巫永睿和科研团队成员下田归来。

2022年11月16日，中国科学院院士、中科院分子植物科学卓越创新中心主任韩斌表示，研究农作物是比较辛苦一点，一定要在大田里才能大面积种。如果在实验室种，成本很高，需要的空间也很大。

另外，他解释说，进行植物杂交实验是一个必须的过程，也是一个容易出差错的地方，如果实验人员当时套袋套的不严，其他玉米花粉污染进来了，数据就错了。如果不进行杂交，目标基因就不能被精细定位到，因为周围有很多其他基因。

本项研究不仅成功克隆了野生玉米变异基因Thp9-T，有利于现代栽培玉米提高籽粒蛋白含量的遗传改良，而且对将来减少化肥施用和保护生态环境具有重要指导意义，为构建和实施新形势下的国家粮食安全战略，确保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新的解决方案。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿研究员和上海师范大学王文琴教授实验室成员的合影。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心黄永财博士后、王海海副研究员、朱一栋博士生为本文的共同第一作者，巫永睿研究员和上海师范大学王文琴教授为本文共同通讯作者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士研究生黄兴、马光近、肖俏，高级实验师王琼，副研究员王婕琛；上海师范大学硕士研究生李帅、吴兴国、金勇波、崔亚辉；齐鲁师范学院路小铎教授、秦莉青年教师；山东农业大学刘红军教授、杨雪蓉副教授、硕士研究生赵耀；深圳基因组所鲍志贵；美国亚利桑那大学Brian A. Larkins院士也参与了合作。

本研究得到中国科学院先导B项目和国家自然科学基金、中国博士后科学基金、上海“超级博士后”激励计划的资助。