11月16日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心召開“野生玉米高蛋白優異基因資源挖掘與利用新突破”新聞發布會，該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，成功從野生玉米中克隆出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TeosinteHighProtein9（THP9），該基因可提高玉米中氮的同化效率，使蛋白質含量大大提高，將該基因導入玉米自交系B73后，種子蛋白質含量增加約35％，根中氮含量增加約54％。
科研人員從2012年開始進行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，歷經10年終于取得突破，研究論文于17日在《自然》雜志上發表。
業界專家高度評價，這項工作展示了將野生祖先的遺傳變異引入優質作物的巨大潛力，有助于促進更可持續的農業和保障未來的糧食安全。
據介紹，玉米的祖先是南美洲墨西哥南部巴爾薩斯河流域的野生玉米大芻草，9000年前開始被人類馴化。
研究顯示，野生玉米在沒有施加氮肥條件下種子蛋白含量高達30％，而普通玉米自交系蛋白含量約為10％，這表明野生玉米含有控制高蛋白含量的關鍵基因。然而，不同玉米自交系遺傳變異大于人類與黑猩猩之間的差異，而9000年前的野生玉米與現代玉米的差異就更大了。長期以來，野生玉米高蛋白含量的形成機理一直是懸而未決的世紀難題。
為了充分利用野生玉米的基因資源，挖掘控制其高蛋白的優良變異基因，巫永睿研究團隊首先破解了高度復雜的野生玉米基因組。
他們通過三代測序技術和三維基因組相結合的策略，摸索并成功拼裝出既雜合又復雜的野生玉米單倍體基因組，用于野生玉米高蛋白基因的定位和克隆。
研究團隊經過艱苦攻關，連續創制了超過10代的遺傳材料，終于構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體。在這一過程中，研究團隊提取了超過4萬個樣本的DNA，測定了超過2萬個樣本的蛋白含量，進行3次大規模高蛋白遺傳種群的測序以及精細的圖位克隆，終于從野生玉米中克隆到首個控制玉米高蛋白的主效基因THP9。該基因編碼天冬酰胺合成酶4，天冬酰胺合成酶4負責合成天冬酰胺，而植物中天冬酰胺的水平與其種子蛋白質含量密切相關。
研究團隊在三亞南繁基地進行了大規模田間試驗，結果顯示，將Thp9-T（野生玉米上的THP9基因）導入現代玉米品種，可在不影響粒重的情況下增加種子蛋白質含量。
用Thp9-T雜交改良我國推廣面積最大的品種“鄭單958”，其親本自交系（“鄭58”和“昌7-2”）籽粒蛋白含量達到14％以上，雜交品種達到10％以上，產量沒有降低，并且能夠在低氮條件下，有效保持玉米的生物量以及植株和籽粒氮含量水平。將該基因導入玉米自交系B73后，種子蛋白質含量增加約35％，根中氮含量增加約54％，莖中氮含量增加約94％，葉片中氮含量增加約18％，植株整體重量（生物量）也大大增加。
我國玉米年產量達2.7億噸，其中有70％用作飼料。由于玉米籽粒蛋白含量普遍較低，飼料中需要補充大豆蛋白。據測算，普通玉米蛋白含量每提高一個百分點，可以少用近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。
巫永睿團隊研究結果顯示，當氮肥減少時，高蛋白玉米生物量和正常施肥的普通玉米沒有明顯變化，培育高蛋白玉米，可提高作物氮肥利用效率，在低氮條件下促進玉米高產、穩產，對減少化肥施用、降低種植成本，從而減少環境污染，實現農業綠色可持續發展有著重要意義。
該研究得到中國科學院先導B項目和國家自然科學基金、中國博士后科學基金、上?！俺壊┦亢蟆奔钣媱澋馁Y助。
聯系郵箱:3267146135@qq.com
