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經過10年努力，我國科研人員從野生玉米中克隆了控制玉米高蛋白品質形成和氮素高效利用的關鍵變異基因——北京時間2022年11月17日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心巫永睿研究團隊與上海師范大學王文琴研究團隊合作完成的這一成果在《自然》（Nature）上發表。
玉米的祖先起源于南美洲墨西哥南部的巴爾薩斯河流域，叫作大芻草，它像雜草一樣生長，種子外面包裹著堅硬的殼，無法直接食用。人類祖先早在9000年以前就開始馴化玉米，如今，玉米已成為世界上最高產的農作物之一，并且是最常用且用量最大的一種飼料。然而，由于普通玉米籽粒蛋白含量較低，大部分雜交種籽粒蛋白含量不到8%，飼料中需要補充大豆蛋白，而大豆嚴重依賴進口，成為我國畜禽養殖業的“卡脖子”問題。“普通玉米蛋白含量每提高一個百分點，相當于中國可以少進口近800萬噸大豆！因此，提高玉米蛋白含量不僅是保障國家糧食安全的重大戰略需求，也是保障我國畜禽養殖業和飼料加工業健康發展的重要途徑之一。”巫永睿介紹，野生玉米高蛋白形成的機理長期以來懸而未決，科學家們一直在尋找控制玉米總蛋白含量和氮素高效利用的關鍵基因。2012年，團隊開始了對玉米高蛋白供體材料的尋找、蛋白含量測定、遺傳分析以及群體構建。
實驗發現，普通玉米自交系蛋白含量約為10%，而“玉米祖先”野生玉米在沒有施加氮肥條件下種子蛋白含量高達30%，這表明野生玉米含有控制高蛋白含量的關鍵基因。這些基因是什么，它們在野生和現代玉米中到底發生了什么改變？它們能否被挖掘用于提高現代玉米的蛋白含量？研究團隊首先通過三代測序技術和三維基因組相結合的策略，破解了高度復雜的野生玉米基因組。在這個過程中，提取超過4萬個樣本的DNA進行基因型鑒定，測定了超過2萬個樣本的蛋白含量進行表型分析，最終從野生玉米中克隆到首個控制玉米高蛋白含量的主效基因THP9。
接下來，研究團隊在三亞南繁基地進行了大規模田間試驗，將野生玉米高蛋白基因Thp9-T雜交導入我國推廣面積最大的玉米生產栽培品種鄭單958中，可以顯著提高雜交種籽粒蛋白含量，表明該基因在培育高蛋白玉米中具有重要的應用潛能。同時，在減少氮肥施用條件下，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，這對于在低氮條件下促進玉米高產、穩產具有重要意義。
“這項了不起的工作通過分子生物學、生物化學、比較基因組學、定量遺傳學和育種等實驗，解開了玉米蛋白質含量和游離氨基酸積累的遺傳學，展示了利用作物的野生親緣來實現可持續農業的巨大潛力。”業內專家對這一成果充滿期待。
巫永睿分析，由于化肥的過度使用，野生玉米優良基因Thp9-T在長期的育種過程中沒有受到選擇壓力。本項研究不僅成功克隆了野生玉米變異基因Thp9-T，有利于現代栽培玉米提高籽粒蛋白含量的遺傳改良，而且對將來減少化肥施用和保護生態環境具有重要指導意義，為構建和實施新形勢下的國家糧食安全戰略，確保國家糧食安全和重要農產品有效供給，促進農業可持續發展提供新的解決方案。
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