植物的种子含有储存的代谢物,例如碳水化合物、蛋白质、脂类和核酸,在环境条件适合发芽时,从休眠向光合自养过渡期间,这些代谢物对细胞的快速分裂和生长至关重要。这些代谢物也使种子成为各种动物和人类的宝贵食物来源。几千年来,植物育种者对植物进行了基因改造,以创造出这些代谢物比例更高的种子,以提高它们的营养价值和作为食物和饲料的用途。这一过程中最著名的例子之一,也许是玉米的野生祖先大刍草转化为现代玉米

大刍草,玉米的野生祖先(Zea mays subsp. mays),它的种子蛋白质含量是大多数现代自交系和杂交种的三倍,但导致这一性状的机制尚不清楚。

2022年11月16日,中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所巫永睿课题组与上海师范大学生命科学学院王文琴课题组合作,在Nature杂志在线发表题为“THP9enhances seed protein content and nitrogen-use efficiency in maize”的研究论文,该研究利用trio-binning方法构建了大刍草TEOSINTE HIGH PROTEIN 9(THP9)的连续单倍型DNA序列,并通过图谱克隆,在9号染色体上鉴定了一个主要的高蛋白数量性状位点——大刍草高蛋白9 (teosinte HIGH PROTEIN 9, THP9)。THP9 -大刍草酸能提高氮素利用效率,这对于在低氮条件下促进高产是很重要的。总之,在低氮条件下,这些植株表现出了高于THP9-B等位基因的NUE,并显示出改善玉米种质的总体前景。

美洲土著人选择了改变大刍草多种性状的突变,包括其花序和种子的大小和结构,以及产量。由于玉米在他们的饮食中很重要,美洲原住民驯化的玉米蛋白质含量高,味道好,制作食物也很实用。然而,随着玉米成为一种商品并被用作牲畜饲料,淀粉含量(产量)成为主要关注的问题,而对蛋白质含量和风味的关注较少。此外,氮肥的使用降低了种子含氮量的重要性,因此,现代玉米杂交种中蛋白质含量仅为5-10%。相比之下,大刍草的蛋白质含量为20-30%。

尽管氮肥显著提高了玉米的产量,但过度使用氮肥往往会导致径流,导致河流和其他水体的富营养化。因此,未来的玉米育种必须设计具有更高氮利用效率(nitrogen-use efficiency, NUE)的作物。此外,未来种子蛋白的含量和质量将更加重要,因为植物蛋白可能在人类饮食中发挥更大的作用。

为了确定导致玉米和大刍草之间蛋白质含量差异的基因,该研究分析了它们的杂交后代,并对影响该性状的数量性状位点(quantitative trait loci, QTLs)进行了表征。研究人员对一个大刍草单倍型基因组(Zea mays subsp.parviglumis, Ames 21814),以及与种子中蛋白质含量高相关的定位基因位点,利用由此产生的大刍草单倍型和近等基因系(nearly isogenic line, NIL)群体,能够克隆出一个大刍草高蛋白位点THP9,其中包含一个天冬酰胺合成酶4基因(synthetase 4, ASN4),该基因在整个植物的氨基酸积累中起着核心作用。

图1. 大刍草与现代玉米蛋白质含量及基因组序列比较(图源自Nature )

进一步研究表明,THP9-大刍草质等位基因THP9-T在大刍草质中高度表达,但在B73自交系中不表达,其中THP9-B73的第10个内含子的缺失会导致THP9-B73转录本的错误拼接。在B73中转基因表达THP9 -大刍草素显著提高了种子蛋白质含量。THP9 -大刍草酸渗透到现代玉米自交系和杂交种中,大大增加了整个植株中游离氨基酸,特别是天冬酰胺的积累,并在不影响产量的情况下增加了种子蛋白质含量。

图2. 含有THP9-T的杂交种氮素含量有所提高(图源自Nature )

综上所述,这项研究显示了包含THP9-T等位基因的杂种的可能价值,尽管还需要进行更大规模的田间试验,以充分确定THP9-T在提高玉米育种中种子蛋白质含量和NUE方面的潜力。这些杂交种在低氮环境中表现良好,当施氮量减少时也能保持正常产量。基于高质量的大刍草基因组序列对NUE进行的进一步研究,可能会产生改善现代杂交种的其他QTL。玉米亚种Zea mays subsp. Parviglumis,Ames 21814和B73也将有助于研究可能负责大刍草驯化过程中表型修饰的基因。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心黄永财博士后、王海海副研究员、朱一栋博士生为本文的共同第一作者,巫永睿研究员和上海师范大学王文琴教授为本文共同通讯作者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士研究生黄兴、马光近、肖俏,高级实验师王琼,副研究员王婕琛;上海师范大学硕士研究生李帅、吴兴国、金勇波、崔亚辉;齐鲁师范学院路小铎教授、秦莉青年教师;山东农业大学刘红军教授、杨雪蓉副教授、硕士研究生赵耀;深圳基因组所鲍志贵;美国亚利桑那大学Brian A. Larkins院士也参与了合作。本研究得到中国科学院先导B项目和国家自然科学基金,中国博士后科学基金,上海“超级博士后”激励计划的资助。

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