前言
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，因此人类祖先早在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。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。但由于玉米的野生祖先大刍草的种子蛋白质含量是大多数现代自交系和杂交品种的三倍，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，提高玉米蛋白含量作为保障国家粮食安全的重大战略需求。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。
野生玉米大刍草（左）和栽培玉米（右）
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杂志上发表了题为的研究论文,经过10年的不懈努力科研人员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关键变异基因。
研究内容
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（），用于野生玉米高蛋白基因的定位和克隆。
并通过基于图谱的克隆，在9号染色体上鉴定了一个主要的高蛋白数量性状位点TEOSINTE HIGH PROTEIN 9 (THP9)。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。THP9-T基因导入现代玉米自交系和杂交系后，在不影响产量的前提下，大大提高了玉米植株中游离氨基酸的积累，尤其是天冬酰胺，并提高了种子蛋白质含量。THP9-T可提高氮素利用效率，对促进低氮条件下的高产具有重要意义。
研究路线
研究结果
1、相比于普通玉米，野生大刍草蛋白含量高
在玉米的驯化和人工选择过程中，许多性状都发生了实质性的改变(图1a)。为研究大刍草与现代玉米自交系种子蛋白质含量的差异，该研究使用高通量快速氮分析仪来测定种子蛋白含量和植物组织中的氮含量，所有大刍草品系的种子蛋白质含量均在30%左右，而玉米自交系种子的蛋白质含量在6.5% ~ 16.5%之间，平均为11.5%(图1b)。这表明，野生玉米含有控制高蛋白含量的关键基因。
该研究发现野生玉米Ames 21814的所有组织中的天冬酰胺水平显著高于B73(图1c)。在玉米中，玉米醇溶蛋白是主要的胚乳贮藏蛋白，占总蛋白的60%以上。SDS-PAGE显示，大刍草中玉米醇溶蛋白和非玉米醇溶蛋白的积累明显高于B73种子，且增加最多的组分为α-zein基因家族。因此，研究人员开始研究大刍草中α-zein基因的拷贝数。
图1 | 大刍草和现代玉米的蛋白质含量和基因组序列比较
2、Ames 21814单倍体的组装及高蛋白基因THP9的确定
为了野生玉米高蛋白α-zein基因的定位和克隆，该研究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（基因组denovo）出既杂合又复杂的野生玉米高质量的单倍体基因组。
为了鉴定Ames 21814中与高蛋白性状相关的基因，该实验将Ames 21814作为高蛋白供体亲本，B73作为回交亲本，创建了一系列连续回交群体。结果表明：F2种子的蛋白质含量(19.9±1.2%)几乎是F1和B73种子的两倍，且高蛋白性状受到多个遗传位点的调控。为了鉴定影响蛋白含量的遗传位点，该研究对超过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，该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（图2）。
图2 | 基于图谱的THP9克隆与表达
3、THP9的验证和自然变异
为了研究THP9-T能否使现代玉米种子提高蛋白质含量，该研究使用泛素启动子在转基因植物中表达该等位基因，与非转基因植株相比，THP9-T过表达植株的叶片和根部的ASN4转录物和ASN4蛋白水平显著提高，研究人员对2019年和2020年生长的405和437个自交系的种子蛋白质含量进行GWAS分析，发现9号染色体THP9位点侧边有一个300 kb的显著峰值(图3e)。这表明ASN4第10内含子缺失的长度与最终转录水平有关。综上所述，这些结果支持THP9是影响自交系间种子蛋白质含量变化的主要基因的假设。
图3 | THP9的遗传确认和自然变异
4、THP9可提高氮肥利用率
由于THP9-T增加了植物体内游离氨基酸的含量，进而促进了植物的生长发育和种子中蛋白质的积累，那么是否THP9-T可以增加植物的氮肥利用率？因此，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。同时，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（图4）。
图4 | NILTeo和NILB73的氮素利用率
总结
本项研究从野生玉米中发现一个控制高蛋白玉米形成的关键优异变异基因Thp9-T，它可以提高玉米中氮的同化效率从而有利于产生更多的蛋白质，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。
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