大刍草（teosinte）是玉米的野生祖先，它的种子蛋白含量是大多数现代玉米品系的三倍。在一项新的研究中，来自中国科学院和上海师范大学的研究人员追踪了造成玉米杂交种和近交系中种子蛋白含量下降的机制。他们的发现为在未来的玉米育种中最大化提高种子蛋白含量和质量开辟了新途径，对氮素使用效率和粮食安全有影响。相关研究结果于2022年11月16日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“THP9 enhances seed protein content and nitrogen-use efficiency in maize”。论文通讯作者为中国科学院分子植物科学卓越创新中心的巫永睿（Yongrui Wu）研究员和上海师范大学的王文琴（Wenqin Wang）教授。
巫永睿研究员说，“在保持高产玉米的同时减少施入土壤的氮素水平，存在着经济和环境压力。因此，确定提高氮气利用效率的遗传因素是至关重要的。”
几千年来，植物育种者对植物物种进行了基因改造，以创造出具有更大比例的代谢物的种子，以提高营养价值和效用。随着玉米成为牲畜饲料的主要来源，植物育种者优先考虑淀粉含量和产量，而蛋白含量和口味则成为次要考虑因素。氮肥的使用进一步降低了种子氮含量的重要性。因此，现代玉米杂交种只含有5～10%的蛋白；相比之下，根据这项新的研究，大刍草的蛋白含量为20～30%。
(资料图)
科学家们可以追踪现代玉米种子蛋白含量的下降，但遗传机制仍然难以捉摸。这些作者着手通过构建完整的大刍草基因组序列来确定造成大刍草和玉米之间蛋白含量差异的基因。通过将大刍草与玉米杂交并分析所产生的后代，他们能够确定数量性状基因座（quantitative trait locus, QTL），即与有关性状相关的特定染色体区域。
巫永睿研究员说，“由于现代玉米从大刍草驯化而来，我们推断，对大刍草中负责高蛋白性状的基因进行表征，相比于最近的近交系玉米群体可能会发现一组更加多样化的QTL。这些结果还可能帮助我们了解玉米驯化过程中种子蛋白含量下降的原因。”
这些作者将目光锁定在9号染色体上一个重要的高蛋白QTL上。THP9 （teosinte high protein 9）QTL不仅在QTL图谱绘制过程中表现出最强的效果，而且还编码了一种叫做天冬酰胺合成酶4（ASN4）的酶，这种酶在氮的代谢中起着重要作用。以前对水稻、小麦和大麦的研究已表明，这类基因的表达变化会改变植物的生长和氮含量。
图片来自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05441-2。
巫永睿研究员说，虽然THP9-teosinte（THP9-T）基因变体（等位基因）在大刍草的根和叶中高度表达，但由于基因转录本的错误剪接，相应的玉米近交系的情况并非如此。他说，“这可能是导致氮同化差异的因素之一。氨基酸是蛋白合成的基本底物，它们在植物中的水平受到土壤氮供应和植物氮利用效率的影响。”
通过田间试验，这些作者验证了THP9-T等位基因在正常条件和低氮条件下都能提高氮的利用效率。进一步分析表明THP9-T有潜力通过植物育种提高玉米种子和植物的蛋白含量。
巫永睿研究员说，“我们的研究显示了携带THP9-T等位基因的杂交种的潜在价值，不过还需在多个地理位置进行更大规模的田间试验，以充分确定它在玉米育种中提高种子蛋白含量和氮利用效率的潜力。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
Yongcai Huang et al. THP9 enhances seed protein content and nitrogen-use efficiency in maize, Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05441-2.
