上海科学家夫妻克隆野生玉米变异基因，显著提高玉米蛋白含量

如何让玉米蛋白质含量更高？

北京时间2022年11月17日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿研究团队与上海师范大学王文琴研究团队合作在Nature上发表了题为 《THP9 enhances seed protein content and nitrogen-use efficiency in maize》的研究论文。

经过10年坚持不懈的努力，科研人员终于从野生玉米中克隆了控制玉米高蛋白品质形成和氮素高效利用的关键变异基因Teosinte High Protein 9 (THP9)。

玉米的祖先起源于南美洲墨西哥南部的巴尔萨斯河流域，叫做大刍草，它像杂草一样生长，种子外面包裹着坚硬的壳，无法直接食用。人类祖先早在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。

人类祖先早在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。 本文图片均为受访者 供图

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。其中，70%的玉米都是用作饲料，玉米产量高，有效能量多，是最常用且用量最大的一种饲料，故有“饲料之王”的美称。

随着人们生活质量的提高，对肉蛋奶的需求不断增加，玉米的消费量也日益增加，致使近年来玉米进口量也不断提升。

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。

然而，野生玉米高蛋白形成的机理是长期以来悬而未决的世纪难题，控制玉米总蛋白含量和氮素高效利用的关键基因一直还没找到。

研究团队于2012年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。实验发现普通玉米自交系蛋白含量约为10%，而玉米祖先野生玉米在没有施加氮肥条件下种子蛋白含量都高达30%，其含量是现代普通栽培玉米的3倍，表明野生玉米含有控制高蛋白含量的关键基因。

巫永睿研究团队在玉米田工作照，站中间者为巫永睿。

这些基因是什么，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？

实际上，不同玉米自交系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。

为了充分利用野生玉米的基因资源，挖掘控制其高蛋白的优良变异基因，研究团队首先破解了高度复杂的野生玉米基因组。他们通过三代测序技术和三维基因组相结合的策略，摸索并成功拼装出既杂合又复杂的野生玉米单倍体基因组（Zea mays ssp. parviglumis, accession number Ames21814），用于野生玉米高蛋白基因的定位和克隆。

研究团队经过艰苦攻关，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。

研究成果模型

该基因编码天冬酰胺合成酶4 (ASN4)，ASN是氮代谢的中心，负责合成天冬酰胺。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B73和一些玉米自交系中含有Thp9的突变形式Thp9-B，导致 ASN4 的表达量较低。

野生玉米优良基因Thp9-T导入玉米自交系B73后，使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，表明该基因在培育高蛋白玉米中具有重要的应用潜能。

“种玉米之路，是艰辛而快乐的。”巫永睿研究员说，玉米杆太高大了，他带着学生走进田里都会被淹没，花粉刷刷地掉在身上，奇痒无比，锋利的叶片还会划出一道道伤痕。

十亩地，两万株玉米，巫永睿带着三五个学生，从早上8点干到下午3点进行人工授粉，幸好大家深怀着对科学的信念，坚持了下来。

巫永睿研究团队工作照

有意思的是，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研究员是一对科研夫妇，一人在田间地头，一人在计算机房，共同铸就了植物研究的辉煌。

王文琴与巫永睿

巫永睿介绍，这项研究成果在减少氮肥施用条件下，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，这对于在低氮条件下促进玉米高产、稳产具有重要意义。

记者了解到，目前这项研究成果已经走上了科技成果转化之路，通过和安徽的一家育种公司的合作，或将真正走向市场。

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。

玉米田