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如何增加玉米的蛋白质含量？
北京时间2022年11月17日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿研究小组协同上海师范大学王文琴研究小组在Nature上发表了题为《THP9 enhances seed protein content and nitrogen-use efficiency in maize》的研究论文。
经过10年的不懈努力，科研人员终于从野生玉米中克隆到了控制玉米高蛋白品质形成和氮高效利用的关键变异基因TEOSintehighprotein9(THP9)。
玉米的祖先产于南美洲墨西哥南部的巴尔萨斯河流域，称为大刍草，长得像杂草一样，种子外裹着硬壶，不能直接食用。 人类的祖先从9000年前开始驯养玉米，把杂草般的野生玉米大刍草变成了今天的玉米。
人类的祖先从9000年前开始驯养玉米，把杂草般的野生玉米大刍草变成了今天的玉米。 本文中的所有照片都是面向受访者的
目前，玉米已成为世界上最好的农作物之一，世界年产12亿吨，中国年产2.7亿吨。 其中，70%的玉米用作饲料，是玉米产量高、有效能多、使用最多、用量最多的饲料，因此有“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，玉米消费量也在增加，近年来玉米进口量也在增加。
由于普通玉米籽粒蛋白质含量低，绝大多数杂交种籽粒蛋白质含量低于8%，饲料中需要补充大豆蛋白，但大豆严重依赖进口，这些都成为我国畜禽养殖业的“绞肉机”。 普通玉米蛋白质含量每提高一个百分点，中国相当于可以进口近800万吨大豆。
因此提高玉米蛋白质含量不仅是保障国家粮食安全的重要战略需要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
但野生玉米高蛋白形成机制是一个长期以来悬而未决的世纪难题，还没有找到调控玉米总蛋白含量和氮素高效利用的关键基因。
研究小组于2012年开始探索玉米高蛋白供体材料，测定蛋白质含量，遗传分析以及群体构建。 实验表明，普通玉米自交系蛋白质含量约为10%，而玉米祖先野生玉米在不施氮肥条件下种子蛋白质含量高达30%，其含量是现代普通栽培玉米的3倍，野生玉米高
巫永睿研究小组在玉米地拍摄工作照片，站在中间的是巫永睿。
这些基因是什么，在野生和现代玉米中发生了什么变化？ 挖掘是为了提高现代玉米的蛋白质含量吗？
实际上，不同玉米自交系遗传变异大于人与黑猩猩的差异，9000年前野生玉米与现代玉米的差异更大了。
为了充分利用野生玉米的基因资源，挖掘出调控高蛋白的优良变异基因，研究小组首先破译了高度复杂的野生玉米基因组。 他们通过三代测序技术和三维基因组结合策略，探索并成功实现了复杂野生玉米单倍体基因组( Zea mays ssp. parviglumis，accession number Ames21814 )
研究小组历经艰难险阻，相继创制了超过10代的遗传材料，最终构建了野生玉米和普通玉米自交系B73的高世代相近等基因组。 在此过程中，他们提取了4万多个样本的DNA进行基因型鉴定，测定了2万多个样本的蛋白质含量并进行了表型分析，分别在回交群体的第四代BC4(n=500 )、第六代BC6 )和第八代BC8 ) n=1344 )
研究成果模型
该基因编码天冬酰胺合成酶4(ASN4)，ASN是氮代谢的中心，负责天冬酰胺的合成。 天冬酰胺在氮循环中起着核心作用，在氨基的分子间转移反应中起着供氮体的作用。
因此，植物中天冬氨酸水平与种子蛋白质含量密切相关。 研究表明，野生玉米优良基因Thp9-T显著高表达，但由于B73和部分玉米自交系含有Thp9的变异形态Thp9-B，ASN4表达量较低。
将野生玉米优良基因Thp9-T转入玉米自交系B73后，使种子蛋白质含量增加约35%，根中氮含量增加约54%，茎中氮含量增加约94%，叶片氮含量增加约18%，生物量即植株总重量也大幅增加
研究小组还在三亚南繁基地进行了大规模田间试验，将野生玉米高蛋白基因Thp9-T杂交转入我国推广面积最大的玉米生产栽培品种郑单958，可显著提高杂交种籽粒蛋白质含量，对培育高蛋白玉米具有重要意义
“种玉米的路上，艰辛而快乐。 ”巫睿研究员说，玉米棒子太大了，他带着学生下地也会被水淹没，被花漆溅到身上，神奇发痒，锋利的叶子会划伤。
亩旱田，两万棵玉米，巫永睿带着三五个学生，从早上8点到下午3点进行了人工授粉，所幸大家对科学抱有深深的信念，坚持了下来。
巫永睿研究小组工作照片
值得一提的是，中科院分子植物科学卓越创新中心巫永睿研究员与上海师范大学王文琴研究员是一对科研夫妇，一人在田里地头，一人在电脑室，共同铸就了植物研究的辉煌。
王文琴与巫永睿
巫永睿表示，该研究成果通过减少氮肥施用条件，能有效维持玉米生物量和植株及籽粒中氮含量水平，这对在低氮条件下促进玉米高产稳产具有重要意义。
记者了解到，目前该研究成果已走科技成果转化之路，通过与安徽育种公司的合作或实际进入市场。
该研究成功克隆了野生玉米变异基因Thp9-T，不仅有助于提高现代栽培玉米籽粒蛋白质含量的遗传改良，而且对未来化肥施用削减和生态环境保护具有重要指导意义，对新形势下国家粮食安全战略的构建与实施、国家粮食安全和重要农产品
玉米地
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