我国科学家成功克隆野生玉米变异基因该基因导入玉米自交系提高种子蛋白质含量约35%

来源:  发布日期:2022-11-17 23:59
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  1116日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心召开野生玉米高蛋白优异基因资源挖掘与利用新突破新闻发布会,该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,成功从野生玉米中克隆出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Teo?sinteHighProtein9THP9),该基因可提高玉米中氮的同化效率,使蛋白质含量大大提高,将该基因导入玉米自交系B73后,种子蛋白质含量增加约35%,根中氮含量增加约54%。科研人员从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,历经10年终于取得突破,研究论文于17日在《自然》杂志上发表。业界专家高度评价,这项工作展示了将野生祖先的遗传变异引入优质作物的巨大潜力,有助于促进更可持续的农业和保障未来的粮食安全。

  据介绍,玉米的祖先是南美洲墨西哥南部巴尔萨斯河流域的野生玉米大刍草,9000年前开始被人类驯化。研究显示,野生玉米在没有施加氮肥条件下种子蛋白含量高达30%,而普通玉米自交系蛋白含量约为10%,这表明野生玉米含有控制高蛋白含量的关键基因。然而,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。长期以来,野生玉米高蛋白含量的形成机理一直是悬而未决的世纪难题。

  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,巫永睿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。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。在这一过程中,研究团队提取了超过4万个样本的DNA,测定了超过2万个样本的蛋白含量,进行3次大规模高蛋白遗传种群的测序以及精细的图位克隆,终于从野生玉米中克隆到首个控制玉米高蛋白的主效基因THP9。该基因编码天冬酰胺合成酶4,天冬酰胺合成酶4负责合成天冬酰胺,而植物中天冬酰胺的水平与其种子蛋白质含量密切相关。

  研究团队在三亚南繁基地进行了大规模田间试验,结果显示,将Thp9-T(野生玉米上的THP9基因)导入现代玉米品种,可在不影响粒重的情况下增加种子蛋白质含量。用Thp9-T杂交改良我国推广面积最大的品种郑单958”,其亲本自交系(58”7-2”)籽粒蛋白含量达到14%以上,杂交品种达到10%以上,产量没有降低,并且能够在低氮条件下,有效保持玉米的生物量以及植株和籽粒氮含量水平。将该基因导入玉米自交系B73后,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%,植株整体重量(生物量)也大大增加。

  我国玉米年产量达2.7亿吨,其中有70%用作饲料。由于玉米籽粒蛋白含量普遍较低,饲料中需要补充大豆蛋白。据测算,普通玉米蛋白含量每提高一个百分点,可以少用近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。巫永睿团队研究结果显示,当氮肥减少时,高蛋白玉米生物量和正常施肥的普通玉米没有明显变化,培育高蛋白玉米,可提高作物氮肥利用效率,在低氮条件下促进玉米高产、稳产,对减少化肥施用、降低种植成本,从而减少环境污染,实现农业绿色可持续发展有着重要意义。

  该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。



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