科技日报记者 王春
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11月17日，国际权威期刊《自然》发表了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的研究成果。研究人员经过10年努力，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THP9，并将其导入玉米自交系，使玉米蛋白含量大幅提高。
巫永睿（中）团队在三亚南繁的试验田里。受访者供图
巫永睿表示，“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。与现代玉米相比，野生玉米的蛋白含量高3倍。然而，野生玉米高蛋白形成的机理是长期以来悬而未决的难题，控制玉米总蛋白含量和氮素高效利用的关键基因一直未能找到。”
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。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，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。
10年中，研究团队提取了超过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、第6代BC6及第8代BC8进行了3次大规模高蛋白遗传群体的测序以及精细图位克隆，最终从野生玉米中克隆出首个控制玉米高蛋白含量的主效基因THP9。
研究人员发现，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。
实验中，研究人员将野生玉米优良基因Thp9-T导入玉米自交系B73后，使种子蛋白含量增加约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。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。
在大田试验中，研究人员同时验证了Thp9-T不仅显著提高“郑单958”的籽粒蛋白含量，而且在低氮条件下促进玉米高产稳产。
《自然》审稿专家认为，这项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，解开了玉米蛋白含量和游离氨基酸积累的遗传学谜题。“高蛋白含量相关位点被识别并精确定位到THP9基因，然后引入现代玉米中，展示了利用作物野生亲缘实现可持续农业的巨大潜力。”评审人说，“这显示出对未来粮食安全的重要意义。”
