北京时间2022年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 (IF 69.5042)上发表了题为 “THP9 enhances seed protein content and nitrogen-use efficiency in maize”的研究论文。经过10年坚持不懈的努力，科研人员终于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Teosinte High Protein 9 (THP9)。

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研究背景

   玉米是世界上重要的粮食作物，是畜牧业、养殖业等重要饲料来源，同时也是医疗卫生、化工业、轻工业等原材料。玉米中的蛋白质有球蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白等。研究表明，现代栽培玉米品质蛋白质含量仅为5–10%，而玉米野生祖先大刍草(teosinte) 蛋白含量高达20-30%（Flint-Garcia et al., Theor. Appl. Genet., 2009），但两者之间蛋白质含量差异背后的遗传基础尚不清楚。

研究内容

   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（Zea mays ssp. parviglumis, accession number Ames21814），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。在这个过程中，他们提取了超过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（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。野生玉米优良基因Thp9-T导入玉米自交系B73后，使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%，并且生物量即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。

   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。将Thp9-T导入现代玉米品种，大大提高了氨基酸水平，尤其是天冬酰胺，并且在不影响粒重的情况下增加了种子蛋白质含量。同时，在大田试验中，本项研究也验证了Thp9-T在高蛋白育种改良过程中起着重大作用，不仅显著提高玉米栽培品种郑单958的籽粒蛋白含量，而且在在低氮条件下能有效保持玉米的生物量以及植株和籽粒氮含量水平，对今后该基因的进一步推广应用奠定了坚实基础。

   由于化肥的过度使用，野生玉米优良基因Thp9-T在长期的育种过程中没有受到选择压力。本项研究不仅成功克隆了野生玉米变异基因Thp9-T，有利于现代栽培玉米提高籽粒蛋白含量的遗传改良，而且对将来减少化肥施用和保护生态环境具有重要指导意义，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。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05441-2 

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