Nature | 中科院、上海师范大学研究团队揭示玉米蛋白含量和氮利用效率的重要遗传基础

撰文、责编 | 王一

玉米是世界上重要的粮食作物，是畜牧业、养殖业等重要饲料来源，同时也是医疗卫生、化工业、轻工业等原材料。玉米中的蛋白质有球蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白等。研究表明，现代栽培玉米品质蛋白质含量仅为5–10%，而玉米野生祖先大刍草 (teosinte) 蛋白含量高达20-30% （Flint-Garcia et al., Theor. Appl. Genet., 2009） ，但两者之间蛋白质含量差异背后的遗传基础尚不清楚。

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团队与上海师范大学王文琴团队合作在Nature发表了题为THP9 enhances seed protein content and nitrogen-use efficiency in maize的研究论文，报道了一个影响玉米蛋白质含量和氮利用效率的数量性状位点——THP9（TEOSINTE HIGH PROTEIN 9）。研究结果将为玉米蛋白品质调控和遗传改良提供理论支撑和重要基因资源。

该研究发现，大刍草中的蛋白含量约为30%，而所测定的现代栽培种平均蛋白含量仅为11.5%。进一步，利用图位克隆鉴定到影响蛋白质含量的一个主要数量性状位点THP9。研究发现，THP9编码一个天冬酰胺合成酶 （asparagine synthetase 4, ASN4） 。ASN4在氨基酸的积累中发挥关键作用。

大刍草和现代栽培种中蛋白质含量

进一步研究发现，THP9-T （THP9-teosinte） 在大刍草叶片中高表达，而在玉米B73自交系中 THP9-B (THP9-B73) 的第10个内含子有48-bp的缺失，影响了内含子的剪切，导致ASN4酶的缺失。在B73中表达THP9-T，可显著提高玉米籽粒的蛋白质含量。将THP9-T导入到现代玉米自交系和杂交种中可以提高根、茎、叶以及籽粒中氨基酸和蛋白质的含量，同时也可以显著提高这些玉米株系的氮利用效率。

不同氮水平的引起的生长差异

论文链接：

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