12月8日，《科學(xué)》刊文稱我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)玉米籽粒鐵轉(zhuǎn)運(yùn)分子開關(guān)，為解決“隱性饑餓”——鐵等微量元素缺乏問題提供了新基因，為培育高產(chǎn)且富鐵的玉米新品種提供了理論和技術(shù)支撐。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所作物分子育種技術(shù)和應(yīng)用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)聯(lián)合河南農(nóng)業(yè)大學(xué)鑒定到調(diào)控鐵進(jìn)入玉米籽粒的關(guān)鍵基因ZmNAC78，首次解析了該基因和金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白共同組成一個(gè)分子開關(guān)控制鐵元素進(jìn)入玉米籽粒的分子機(jī)制。
“利用該基因使玉米籽粒中的鐵含量顯著提高到每公斤70.5毫克，比現(xiàn)有生產(chǎn)所用玉米籽粒平均含鐵量超出2倍。同時(shí)，利用開發(fā)的分子標(biāo)記，培育出籽粒富鐵的玉米新品系?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員李文學(xué)在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)表示。
鐵進(jìn)入籽粒路徑不清 限制培育富鐵玉米新品種
全球大約有三分之一的人口受到缺鐵引起的貧血病困擾，根據(jù)第四次全國營養(yǎng)調(diào)查的數(shù)據(jù)，中國居民貧血患病率為20.1%，其中一半為缺鐵性貧血。雖然依靠服用補(bǔ)鐵劑等手段可以改善鐵營養(yǎng)狀況，但是成本較高。如果能將日常食用作物鐵含量提高，有助于從根本上低成本地改善大范圍人群的鐵營養(yǎng)狀況，這對于以玉米為主食的發(fā)展中國家意義尤其重大。
“然而，玉米籽粒鐵含量一般與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，這極大限制了培育既高產(chǎn)又富鐵的玉米新品種。2004年，國際農(nóng)業(yè)研究磋商組織設(shè)立‘生物強(qiáng)化挑戰(zhàn)項(xiàng)目’，目前在水稻上已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，但由于玉米籽粒結(jié)構(gòu)不同，鐵等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入需要通過基底胚乳傳遞細(xì)胞傳遞，其生物學(xué)路徑一直是植物營養(yǎng)領(lǐng)域懸而未決的問題?！崩钗膶W(xué)說。
鎖定關(guān)鍵基因 發(fā)現(xiàn)玉米籽粒鐵轉(zhuǎn)運(yùn)分子開關(guān)
在該項(xiàng)研究中，研究人員利用273份玉米自交系基因型數(shù)據(jù)結(jié)合6份極端材料轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，鎖定一個(gè)參與調(diào)控玉米籽粒鐵含量的候選基因ZmNAC78。該基因在玉米授粉后16-24天的胚乳中高表達(dá)，這也是營養(yǎng)物質(zhì)在玉米籽粒中快速積累的時(shí)期。
“該基因過表達(dá)玉米籽粒鐵含量達(dá)到每公斤70.5毫克，顯著高于‘生物強(qiáng)化挑戰(zhàn)項(xiàng)目’為玉米設(shè)定的玉米籽粒鐵含量每公斤60毫克的目標(biāo)。”李文學(xué)說。
研究人員進(jìn)一步解析了鐵元素如何進(jìn)入玉米籽粒的分子路徑。實(shí)驗(yàn)顯示，該基因在玉米營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入子代的唯一界面——玉米籽?；着呷閭鬟f細(xì)胞中優(yōu)勢表達(dá)，能夠直接激活3個(gè)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。
實(shí)驗(yàn)證明，3個(gè)鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白均在胚乳發(fā)育早期高表達(dá)，且這3個(gè)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白也在基底胚乳傳遞細(xì)胞表達(dá)，與該基因表達(dá)時(shí)間、空間位置一致。
“基因功能缺失突變體實(shí)驗(yàn)顯示，這些金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在鐵元素進(jìn)入玉米籽粒路徑中起到重要作用，在基底胚乳傳遞細(xì)胞中，該基因和金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白共同組成一個(gè)分子開關(guān)控制鐵元素進(jìn)入玉米籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)通路?！崩钗膶W(xué)指出。
開發(fā)富鐵玉米新品種 培育分子標(biāo)記并率先應(yīng)用
為探索該基因在育種上的應(yīng)用，研究人員將玉米分為籽粒鐵含量高的單倍型1與籽粒鐵含量低的單倍型2，利用該基因核心啟動子序列多態(tài)性開發(fā)功能分子標(biāo)記。
為避免土壤酸堿度等環(huán)境因素影響，研究人員將選育的3個(gè)單倍型1組配在黃淮海地區(qū)和西南玉米區(qū)分別試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其籽粒鐵含量均高于單倍型2組配，平均高出25.82%-33.91%，并且所選育的組配材料也顯著高于國內(nèi)雜交玉米品種每公斤18.5毫克的籽粒平均鐵含量。
“尤其是組配1的籽粒鐵含量與產(chǎn)量均高于我國區(qū)試對照品種鄭單958，表明該基因作為玉米鐵營養(yǎng)關(guān)鍵基因，對產(chǎn)量沒有影響。”李文學(xué)表示，這意味著，該研究為未來培育高產(chǎn)且富鐵的玉米新品種提供了可行方案，開發(fā)了富鐵玉米新品種培育的分子標(biāo)記并率先應(yīng)用，選育出富鐵的玉米新組合，為解決鐵等微量元素缺乏的“隱性饑餓”問題提供了新材料。
中國農(nóng)科院作科所博士后閆鵬帥為該論文的第一作者，李文學(xué)和河南農(nóng)業(yè)大學(xué)湯繼華教授為共同通訊作者。
該研究在揭開鐵進(jìn)入玉米籽粒的生物學(xué)路徑的同時(shí)，也為解析營養(yǎng)物質(zhì)如何進(jìn)入小麥等具有傳遞細(xì)胞的禾谷類作物提供了新思路。
