前言

玉米的祖先起源於南美洲墨西哥南部的巴爾薩斯河流域，叫做大芻草，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，因此人類祖先早在9000年以前就開始馴化玉米，逐步把雜草一樣的野生玉米大芻草改造成了今天的玉米。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。但由於玉米的野生祖先大芻草的種子蛋白質含量是大多數現代自交系和雜交品種的三倍，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，提高玉米蛋白含量作為保障國家糧食安全的重大戰略需求。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。

野生玉米大芻草（左）和栽培玉米（右）

11月17日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心

巫永睿

研究團隊與上海師範大學

王文琴

研究團隊合作在

Nature雜誌

上發表了題為的研究論文，經過10年的不懈努力科研人員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關鍵變異基因。

研究內容

研究團隊首先破解了高度複雜的

野生玉米基因組

。他們透過三代測序技術和三維基因組相結合的策略，摸索併成功拼裝出既雜合又複雜的野生玉米單倍體基因組（），用於野生玉米高蛋白基因的定位和克隆。

並透過基於圖譜的克隆，在9號染色體上鑑定了一個主要的高蛋白數量性狀位點TEOSINTE HIGH PROTEIN 9 （THP9）。該基因編碼天冬醯胺合成酶4 （ASN4），ASN是氮代謝的中心，負責合成天冬醯胺。天冬醯胺在氮迴圈中具有核心作用，並在氨基基團的分子間轉移反應中充當氮供體。因此，植物中的天冬醯胺水平與種子蛋白質含量密切相關。

研究發現野生玉米優良基因Thp9-T顯著高表達，而B73和一些玉米自交系中含有Thp9的突變形式Thp9-B，導致 ASN4 的表達量較低。THP9-T基因匯入現代玉米自交系和雜交系後，在不影響產量的前提下，大大提高了玉米植株中游離氨基酸的積累，尤其是天冬醯胺，並提高了種子蛋白質含量。THP9-T可提高氮素利用效率，對促進低氮條件下的高產具有重要意義。

研究路線

研究結果

1、相比於普通玉米，野生大芻草蛋白含量高

在玉米的馴化和人工選擇過程中，許多性狀都發生了實質性的改變（圖1a）。為研究大芻草與現代玉米自交系種子蛋白質含量的差異，該研究使用高通量快速氮分析儀來測定種子蛋白含量和植物組織中的氮含量，所有大芻草品系的種子蛋白質含量均在30%左右，而玉米自交系種子的蛋白質含量在6。5% ~ 16。5%之間，平均為11。5%（圖1b）。這表明，野生玉米含有控制高蛋白含量的關鍵基因。

該研究發現野生玉米Ames 21814的所有組織中的天冬醯胺水平顯著高於B73（圖1c）。在玉米中，玉米醇溶蛋白是主要的胚乳貯藏蛋白，佔總蛋白的60%以上。SDS-PAGE顯示，大芻草中玉米醇溶蛋白和非玉米醇溶蛋白的積累明顯高於B73種子，且增加最多的組分為α-zein基因家族。因此，研究人員開始研究大芻草中α-zein基因的複製數。

圖1 | 大芻草和現代玉米的蛋白質含量和基因組序列比較

2、Ames 21814單倍體的組裝及高蛋白基因THP9的確定

為了野生玉米高蛋白α-zein基因的定位和克隆，該研究透過三代測序技術和三維基因組相結合的策略，

摸索併成功拼裝（基因組denovo）出既雜合又複雜的野生玉米高質量的單倍體基因組

。

為了鑑定Ames 21814中與高蛋白性狀相關的基因，該實驗將Ames 21814作為高蛋白供體親本，B73作為回交親本，建立了一系列連續回交群體。結果表明：F2種子的蛋白質含量（19。9±1。2%）幾乎是F1和B73種子的兩倍，且高蛋白性狀受到多個遺傳位點的調控。

為了鑑定影響蛋白含量的遺傳位點，該研究對超過4萬個樣本的DNA進行基因型鑑定，測定了超過2萬個樣本的蛋白含量進行表型分析，並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，該研究發現野生玉米優良基因Thp9-T顯著高表達，而現代玉米B73和一些玉米自交系中的突變基因Thp9-B，導致ASN4的表達量較低（圖2）。

圖2 | 基於圖譜的THP9克隆與表達

3、THP9的驗證和自然變異

為了研究THP9-T能否使現代玉米種子提高蛋白質含量，該研究使用泛素啟動子在轉基因植物中表達該等位基因，與非轉基因植株相比，THP9-T過表達植株的葉片和根部的ASN4轉錄物和ASN4蛋白水平顯著提高，研究人員對2019年和2020年生長的405和437個自交系的種子蛋白質含量進行GWAS分析，發現9號染色體THP9位點側邊有一個300 kb的顯著峰值（圖3e）。這表明ASN4第10內含子缺失的長度與最終轉錄水平有關。綜上所述，這些結果支援THP9是影響自交系間種子蛋白質含量變化的主要基因的假設。

圖3 | THP9的遺傳確認和自然變異

4、THP9可提高氮肥利用率

由於THP9-T增加了植物體內遊離氨基酸的含量，進而促進了植物的生長髮育和種子中蛋白質的積累，那麼是否THP9-T可以增加植物的氮肥利用率？因此，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雜交匯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，這對於在低氮條件下促進玉米高產、穩產具有重要意義（圖4）。

圖4 | NILTeo和NILB73的氮素利用率

總結

本項研究從野生玉米中發現一個控制高蛋白玉米形成的關鍵優異變異基因Thp9-T，它可以提高玉米中氮的同化效率從而有利於產生更多的蛋白質，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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（基因組測序）

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