玉米的野生祖先类蜀黍的种子蛋白质含量是大多数现代玉米品系的三倍。中国科学院总部的研究人员追踪了导致玉米杂交种和自交系种子蛋白质含量下降的机制。他们的发现为未来玉米育种最大限度地提高种子蛋白质含量和质量开辟了新途径，对氮利用效率和粮食安全具有重要意义。
研究人员的研究结果于11月17日发表在《自然》杂志上。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心的研究作者吴永瑞说：“在保持玉米高产的同时降低土壤施氮水平存在经济和环境压力。”“因此，确定提高氮利用效率的遗传因素至关重要。”
几千年来，植物育种者对植物物种进行了基因改造，以培育出代谢物比例更高的种子，从而提高营养价值和效用。随着玉米成为牲畜的主要饲料来源，植物育种者优先考虑淀粉含量和产量，而蛋白质含量和风味成为次要问题。氮肥的使用进一步降低了种子含氮量的重要性。因此，现代杂交玉米仅含5-10%的蛋白质;相比之下，根据这项研究，类蜀黍的蛋白质含量为20-30%。
科学家可以追踪玉米种子蛋白质含量的下降，但遗传机制仍然难以捉摸。吴和中国科学院总部的一个团队着手通过创建完整的大蜀黍基因组序列来确定导致大蜀黍和玉米之间蛋白质含量差异的基因。通过将大蜀黍与玉米杂交并分析后代，研究人员能够确定数量性状位点(QTL)，或与相关性状相关的特定染色体区域。
野生玉米THP9提高种子蛋白质含量和氮素利用效率的研究文章摘要。图片来源：CEMPS
“因为现代玉米是从类蜀黍驯化而来的，我们推断，对类蜀黍中负责高蛋白特性的基因进行表征，可能会揭示比近代玉米近交种群中发现的QTL更多样化的集合，”Wu说。“结果也可能有助于我们了解玉米驯化过程中种子蛋白质含量下降的原因。”
研究人员将注意力集中在9号染色体上的一个重要的高蛋白QTL上。类蜀黍高蛋白9(THP9)QTL不仅在QTL作图过程中表现出最强的作用，而且还编码了一种称为天冬酰胺合成酶4(ASN4)的酶，它起着在氮代谢中起重要作用。先前对水稻、小麦和大麦的研究表明，这些基因表达的变化会改变植物生长和氮含量。
Wu说，虽然THP9-teosinte(THP9-T)基因变异(等位基因)在大蜀黍的根和叶中高度表达，但由于基因转录物的错误剪接，相应的玉米自交系并非如此。
“这可能是导致氮同化差异的因素之一，”吴说。“氨基酸是蛋白质合成的必需底物，它们在植物中的含量受土壤氮可用性和植物氮利用效率的影响。”
通过田间试验，该团队证实THP9-T等位基因可以提高正常和低氮条件下的氮利用效率。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物蛋白质含量的潜力。
“我们的研究显示了包含THP9-T等位基因的杂交种的可能价值，尽管需要在多个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，”吴说.