自然:中国科学家发现THP9可以提高玉米种子的蛋白质含量和氮素利用效率

来源：100医疗网原创2022-11-22 10336059

在一项新的研究中，中国研究人员追踪了玉米杂交种和自交系种子蛋白质含量下降的机制。他们的发现为在未来的玉米育种中最大限度地提高种子蛋白质的含量和质量开辟了新的途径，并对氮素利用效率和粮食安全产生了影响。

大刍草是玉米的野生祖先，其种子蛋白质含量是大多数现代玉米品系的三倍。在一项新的研究中，中国科学院和上海师范大学的研究人员跟踪了玉米杂交种和自交系种子蛋白质含量下降的机制。他们的发现为在未来的玉米育种中最大限度地提高种子蛋白质的含量和质量开辟了新的途径，并对氮素利用效率和粮食安全产生了影响。相关研究成果于2022年11月16日在线发表在《自然》杂志上，论文标题为《THP 9号提高玉米种子蛋白质含量和氮利用效率》。通讯作者为中国科学院分子植物科学卓越与创新中心研究员吴永瑞和上海师范大学教授。

研究员吴永瑞表示，在保持玉米高产的同时，减少土壤施氮水平存在经济和环境压力。因此，确定提高氮素利用效率的遗传因素非常重要。

几千年来，植物育种家通过对植物物种进行基因改造来创造代谢物比例更高的种子，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，植物育种家优先考虑淀粉含量和产量，而蛋白质含量和味道成为次要考虑因素。氮肥的使用进一步降低了种子含氮量的重要性。所以现代玉米杂交种只含5 ~ 10%的蛋白质；相比之下，根据这项新的研究，铁板烧的蛋白质含量为20 ~ 30%。

科学家可以追踪现代玉米种子中蛋白质含量的下降，但遗传机制仍然难以捉摸。这些作者开始通过构建一个完整的大刍草基因组序列来确定导致大刍草和玉米之间蛋白质含量差异的基因。通过将大刍草与玉米杂交并分析其后代，他们可以确定数量性状基因座(QTL)，即与相关性状相关的特定染色体区域。

研究员吴永瑞说，由于现代玉米是从铁矾花驯化而来的，我们得出结论，通过表征铁矾花中负责高蛋白性状的基因，与最近的近交玉米群体相比，可能会发现一组更多样化的QTL。这些结果也可能有助于我们理解玉米驯化过程中种子蛋白质含量下降的原因。

这些作者专注于9号染色体上的一个重要的高蛋白QTL。THP9(大刍草高蛋白9)QTL不仅在QTL作图中表现出最强的效应，而且编码一种叫做天冬酰胺合酶4(ASN4)的酶，在氮代谢中起重要作用。此前对水稻、小麦和大麦的研究表明，这些基因表达的变化会改变植物的生长和氮含量。

图片来自Nature，2022，doi :10.1038/s 41586-022-05441-2。

研究人员吴永瑞表示，虽然THP 9-大刍草(THP9-T)基因变异体(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，相应的玉米自交系并不如此。他说，这可能是导致氮素同化差异的因素之一。它们是氨基酸蛋白质合成的基本底物，它们在植物中的水平受土壤供氮和植物氮利用效率的影响。

通过田间试验，这些作者证实了THP9-T等位基因可以在正常和低氮条件下提高氮利用效率。进一步分析表明，THP9-T具有通过植物育种提高玉米种子和植株蛋白质含量的潜力。

研究员吴永瑞表示，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，但需要在许多地理位置进行更大规模的田间试验，以充分确定其在玉米育种中提高种子蛋白质含量和氮利用效率的潜力。(100yiyao.com)

参考资料：

黄等，自然，2022，doi :10.1038/s 41586-022-05441-2。

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