中國青年報客戶端上海11月17日電（中青報·中青網記者 王燁捷）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在英國《自然》雜志發表一篇論文。經過10年的努力，科研人員終于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Teosinte High Protein 9 (THP9)。

　　玉米是世界三大糧食作物之一，玉米的產量和質量直接關系到一個國家的糧食安全。玉米目前已經成為世界上最高產的農作物之一，全球年產12億噸，中國年產2.7億噸。其中，70%的玉米都是用作飼料。玉米產量高、有效能量多，是最常用且用量最大的一種飼料，故有“飼料之王”的美稱。

　　THP9基因作用于玉米科普簡介視頻。中科院植生所提供

　　隨著人們生活質量的提高，對肉蛋奶的需求不斷增加，玉米的消費量也日益增加，致使近年來玉米進口量也不斷提升。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%，因此飼料中需要補充大豆蛋白，然而大豆嚴重依賴進口，這些成為我國畜禽養殖業的“卡脖子”問題。如果能使得普通玉米蛋白含量提高一個百分點，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。

　　然而，野生玉米高蛋白形成的機理是長期以來懸而未決的世紀難題，控制玉米總蛋白含量和氮素高效利用的關鍵基因一直還沒找到。

　　巫永睿研究團隊于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。實驗發現普通玉米自交系蛋白含量約為10%，而野生玉米在沒有施加氮肥條件下種子蛋白含量都高達30%，其含量是現代普通栽培玉米的3倍，表明野生玉米含有控制高蛋白含量的關鍵基因。但這些基因是什么，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？

　　論文部分圖文解說頁面截取。中科院植生所供圖

　　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，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（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。在這個過程中，他們提取了超過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，并分別在回交群體的第4代BC4（n=500）、第6代BC6（n=1314）以及第8代BC8（n=1344）進行了3次大規模高蛋白遺傳群體的測序以及精細的圖位克隆，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。

　　研究發現野生玉米優良基因Thp9-T顯著高表達。野生玉米優良基因Thp9-T導入玉米自交系B73后，使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%，并且生物量即植株整體重量也大大增加。

　　此外，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。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。中國科學院分子植物科學卓越創新中心黃永財博士后、王海海副研究員、朱一棟博士生為本文的共同第一作者，巫永睿研究員和上海師范大學王文琴教授為本文共同通訊作者。本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，上海“超級博士后”激勵計劃的資助。《自然》雜志專家點評認為，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。作者從玉米的野生親緣大芻草中發現了一個有望提高玉米蛋白質含量和氮利用效率的靶點。這項工作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，“這項工作強調了將野生祖先的遺傳變異引入優質作物的潛力，以促進更可持續的農業和未來的糧食安全。”