努力10年,上海这对科学家夫妇让玉米重新“拥有”高蛋白
2022-11-17 上海

青年报·青春上海记者 刘晶晶

从8%到14%,上海一对科学家夫妇的科研成果,让玉米找回了在人工种植过程中慢慢“丢失”的高蛋白。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员巫永睿和爱人——上海师范大学教授王文琴带领他们的研究团队,经过十年的不懈努力,成功克隆了野生玉米中控制高蛋白品质形成的关键变异基因,相关研究成果于北京时间11月17日凌晨在线发表于国际顶尖学术期刊《自然》。

玉米的祖先起源于南美洲墨西哥南部的巴尔萨斯河流域,叫做大刍草。它像杂草一样生长,种子外面包裹着坚硬的壳,无法直接食用。人类祖先早在9000年以前就开始驯化玉米,逐步把杂草一样的野生玉米大刍草改造成了今天的玉米。

如今,玉米已成为世界上最高产的农作物之一,全球年产12亿吨,中国年产2.7亿吨。其中,70%的玉米都是用作饲料,玉米产量高,有效能量多,是最常用且用量最大的一种饲料,故有“饲料之王”的美称。

随着人们生活质量的提高,对肉蛋奶的需求不断增加,玉米的消费量也日益增加,致使近年来玉米进口量也不断提升。由于普通玉米籽粒蛋白含量较低,大部分杂交种籽粒蛋白含量不到8%,因此饲料中需要补充大豆蛋白。然而,大豆严重依赖进口,这些成为了我国畜禽养殖业的“卡脖子”问题。

如果普通玉米蛋白含量每提高一个百分点,相当于中国可以少进口近800万吨大豆。因此,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。然而,野生玉米高蛋白形成的机理是长期以来悬而未决的世纪难题,控制玉米总蛋白含量和氮素高效利用的关键基因一直还没找到。          

能否将玉米的高蛋白基因找回来,重新注入现代玉米中?十年前,怀着梦想,巫永睿从美国带回大刍草的种子,来到中国科学院分子植物科学卓越创新中心,组建起自己的研究团队。

实验发现,普通玉米自交系蛋白含量约为10%,而野生玉米在没有施加氮肥条件下种子蛋白含量都高达30%,其含量是现代普通栽培玉米的3倍,表明野生玉米含有控制高蛋白含量的关键基因。

然而,经历9000年的岁月,现在的大刍草其基因组已经变得极难辨识,与现代玉米的基因组差别更是巨大,这种差异甚至超过了人类与黑猩猩之间的差异。

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,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关键基因THP9。

研究团队在三亚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。为了实现不间断种植,还在上海、三亚、哈尔滨三地穿梭轮种。

十年来,研究人员每一次在大太阳下走进玉米田,花粉哗哗洒到皮肤上奇痒无比。玉米叶子也像刀子一样,一不小心就割一道口子。研究人员表示,尽管非常辛苦,但当他们发现THP9-T不仅能控制玉米蛋白质形成,还能减少玉米种植过程中化肥的施用,有助于减少环境污染时,觉得一切付出都值得了。

据巫永睿介绍,团队已在为新发现的基因申请专利,并与安徽一家农业企业合作育种。此外,他们还发现了另外三个控制玉米蛋白含量的基因,未来将继续将其克隆并引入现代玉米中,争取让玉米作物的蛋白质含量提升至20%。 

青年报·青春上海记者 刘晶晶

编辑:张红叶

来源:青春上海News—24小时青年报

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