《Science | 两种大刍草为现代玉米的祖先》

  • 来源专题:战略生物资源
  • 编译者: 李康音
  • 发布时间:2023-12-03
  • 2023年12月1日,华中农业大学杨宁、严建兵、 美国加州大学Jeffrey Ross-Ibarra共同通讯在Science 在线发表题为Two teosintes made modern maize的研究论文,该研究表明两种墨西哥类蜀黍形成了现代玉米。

    玉米与其野生近缘种在形态上的巨大差异引发了一个多世纪以来关于其起源的争论。今天,最被广泛接受的模型也是最简单的—玉米是由野生一年生野生玉米(Zea mays ssp)驯化而来的。

    群体遗传分析表明,现代玉米的起源可以追溯到古代玉米和Zea mays ssp之间的混合。在驯化开始4000年后的墨西哥高地。研究发现,无论是在个体位点还是在农艺性状基础上的加性遗传变异上,外加剂的变异都是玉米多样性的关键组成部分。该研究澄清了现代玉米的起源,并提出了关于在整个美洲扩散的人为机制的新问题。


  • 原文来源:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8940
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    • 编译者:姜丽华
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    •   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团队与上海师范大学王文琴研究团队合作,在《自然》(Nature)上,发表了题为THP9 enhances seed protein content and nitrogen-use efficiency in maize的研究论文。科研人员经过坚持不懈的努力,在野生玉米中克隆了控制玉米高蛋白品质形成和氮素高效利用的关键变异基因Teosinte High Protein 9 (THP9)。   玉米的祖先起源于南美洲墨西哥南部的巴尔萨斯河流域,名为“大刍草”。它像杂草一样生长,种子外面包裹着坚硬的壳,无法直接食用。人类祖先早在9000年以前开始驯化玉米,逐步把杂草一样的野生玉米大刍草改造成了今天的玉米。如今,玉米已成为世界上最高产的农作物之一。玉米产量高,有效能量多,是最常用且用量最大的饲料之一,故有“饲料之王”的美称。随着人们生活质量提高,肉蛋奶需求增加,玉米的消费量日益增加,致使近年来玉米进口量不断提升。提高玉米蛋白含量是保障国家粮食安全的重大战略需求,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。然而,野生玉米高蛋白形成的机理是长期以来悬而未决的难题,同时,控制玉米总蛋白含量和氮素高效利用的关键基因尚未找到。   科研团队于2012年进行玉米高蛋白供体材料的寻找、蛋白含量测定、遗传分析以及群体构建。实验发现,普通玉米自交系蛋白含量约为10%,而玉米祖先野生玉米在未施加氮肥条件下种子蛋白含量达30%,其含量是现代普通栽培玉米的3倍,表明野生玉米含有控制高蛋白含量的关键基因。这些基因是什么,它们在野生和现代玉米中到底发生了什么改变?它们能否被挖掘用于提高现代玉米的蛋白含量?不同玉米自交系遗传变异大于人类与黑猩猩之间的差异,而9000年前的野生玉米与现代玉米的差异就更大了。   为了充分利用野生玉米的基因资源,挖掘控制野生玉米高蛋白的优良变异基因,研究团队破解了高度复杂的野生玉米基因组。研究采用三代测序技术和三维基因组相结合的策略,摸索并拼装出既杂合又复杂的野生玉米单倍体基因组(Zea mays ssp. parviglumis, accession number Ames21814),用于野生玉米高蛋白基因的定位和克隆。科研人员经过艰苦攻关,连续创制了超过10代的遗传材料,构建出野生玉米和普通玉米自交系B73的高世代近等基因系群体。在这一过程中,研究提取了超过4万个样本的DNA进行基因型鉴定,测定了超过2万个样本的蛋白含量进行表型分析,并分别在回交群体的第4代BC4(n=500)、第6代BC6(n=1314)以及第8代BC8(n=1344)进行了3次大规模高蛋白遗传群体的测序以及精细的图位克隆,最终在野生玉米中克隆到首个控制玉米高蛋白含量的主效基因THP9。该基因编码天冬酰胺合成酶4 (ASN4),ASN是氮代谢的中心,负责合成天冬酰胺。天冬酰胺在氮循环中具有核心作用,并在氨基基团的分子间转移反应中充当氮供体。因此,植物中的天冬酰胺水平与种子蛋白质含量密切相关。研究发现,野生玉米优良基因Thp9-T显著高表达,而B73和一些玉米自交系中含有Thp9的突变形式Thp9-B,导致ASN4的表达量较低。野生玉米优良基因Thp9-T导入玉米自交系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%,叶片中氮含量增加约18%,且生物量即植株整体重量增加。   此外,研究团队在三亚南繁基地开展了大规模田间试验,将野生玉米高蛋白基因Thp9-T杂交导入我国推广面积最大的玉米生产栽培品种郑单958中,可显著提高杂交种籽粒蛋白含量,表明该基因在培育高蛋白玉米中具有重要的应用潜能;同时,在减少氮肥施用条件下,可有效保持玉米的生物量以及植株和籽粒中氮含量水平,这对于在低氮条件下促进玉米高产、稳产具有重要意义。   本研究在野生玉米中发现一个控制高蛋白玉米形成的关键优异变异基因Thp9-T,其可以提高玉米中氮的同化效率从而有利于产生更多的蛋白质。研究表明,将Thp9-T导入现代玉米品种,提高了氨基酸水平,尤其是天冬酰胺,且在不影响粒重的情况下增加了种子蛋白质含量。同时,在大田试验中,本研究也验证了Thp9-T在高蛋白育种改良过程中具有重要作用,显著提高玉米栽培品种郑单958的籽粒蛋白含量,并在低氮条件下能有效保持玉米的生物量以及植株和籽粒氮含量水平,这为今后该基因的进一步推广应用奠定了坚实基础。   由于化肥的过度使用,野生玉米优良基因Thp9-T在长期的育种过程中未受到选择压力。本研究不仅克隆了野生玉米变异基因Thp9-T,利于现代栽培玉米提高籽粒蛋白含量的遗传改良,而且对未来减少化肥施用和保护生态环境具有重要指导意义。   研究工作得到中国科学院战略性先导科技专项(B类)、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、上海“超级博士后”激励计划的支持。齐鲁师范学院、山东农业大学、深圳农业基因组研究所、美国亚利桑那大学科研人员参与研究。
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    • 王军 编辑 AgroPages 世界农化网 世界农化网中文网 报道:玉米,作为全球种植面积最广的粮食作物之一,在全球粮食安全和农业经济中扮演着举足轻重的角色。它不仅是全球170余个国家和地区的共同选择,更是农业发展的重要支柱。 在美国和巴西,玉米的地位尤为显著,这两个国家的种植规模和产量在全球范围内均名列前茅。然而,随着全球玉米贸易格局的不断演变,美国作为世界最大的玉米出口国,其地位正面临新的挑战。2023年,中国与巴西签订了玉米贸易协议,市场格局发生潜在变化。据咨询公司Safras & Mercado估计,巴西2023/24年的玉米产量将达到1.29亿吨的历史最高产量,预计近两年的出口量都将超过5000万吨,这一数字不仅显著挤占了其他出口国的市场份额,还使得巴西超越美国,成为全球第一大玉米出口国。 尽管如此,美国在国际玉米市场上的风向标地位并未动摇。玉米不仅是美国种植面积第二大的农作物,更是其农业经济的重要支柱。根据美国农业部2024年3月发布的2023/24年度玉米供需预测报告,美国玉米产量预计将达到3.8969亿吨,同比增长12.4%,出口量预计为5334万吨,同比增长26.4%。得益于美国得天独厚的自然资源、高效的规模化种植模式,以及在转基因技术领域的领先地位,这些优势的综合,为美国玉米在国际市场上的竞争力提供了坚实的基础。 在玉米生产过程中,杂草问题一直是一个长期挑战。杂草不仅与玉米争夺养分、水分和阳光,严重影响玉米的生长条件,而且一些杂草还能成为病虫害的宿主,进一步增加了病害传播的风险和危害。因此,除草剂在农业生产中扮演着不可或缺的角色。随着全球农业生产的不断进步和对环境友好型农业的日益重视,新型除草剂的研发和应用也成为了行业的热点。 自2023年以来,美国和巴西作为全球玉米种植的重要地区,市场上涌现了多款新型玉米除草剂产品。下面,我们就一起盘点一下2023年以来美国、巴西市场新上市了哪些玉米除草剂产品。 美国 主要危害杂草 在美国,长芒苋( Palmer amaranth )、苋菜藤子( Waterhemp )、巨型豚草( Giant ragweed )、藜( Common lambsquarters )、小飞蓬( Horseweed )及地肤( Kochia )等都是玉米作物田的最为主要杂草类型。 上新产品 科迪华——Resicore REV 乙草胺30.0%+硝磺草酮2.9%+二氯吡啶酸单乙醇胺盐2.6% ZC微囊悬浮剂 2024年6月,科迪华宣布在美国市场推出新型玉米除草剂Resicore® REV。这款产品融合了乙草胺、硝磺草酮和二氯吡啶酸乙醇胺盐三种有效成分,凭借3重作用模式和长达8周的持久残留活性,为玉米种植提供了全面的除草解决方案。 Resicore® REV不仅能有效应对出苗前后的杂草问题,更对超过75种包括长芒苋、水麻、杉叶藻和三裂叶豚草在内的顽固抗性杂草品种展现出卓越的抑制能力。Resicore® REV的另一大亮点是其出色的混合兼容性,能够与多种罐式混合剂完美融合,包括微量营养素,如UAN和硫代硫酸铵(ATS),以及莠去津和草甘膦等其他玉米除草剂。此外,Resicore® REV采用先进的封装乙草胺技术,显著提升了作物的安全性。 科迪华表示,这款产品以其卓越的除草效果和作物安全性,有望成为美国玉米种植户在除草管理上的新选择。 科迪华——EnversaTM 乙草胺 2024年3月,科迪华宣布,其在美国推出了新型除草剂EnversaTM(活性成分:乙草胺)。作为一种残留性除草剂,Enversa可有效控制棘手的禾本科杂草和阔叶杂草,包括水麻和紫苋,同时具有出色的作物安全性。 该除草剂已于2023年12月获美国环境保护局批准登记,预计将在2025年的种植季节应用于玉米、大豆、棉花、高粱、花生和甜菜等作物。 巴斯夫——Surtain 苯嘧磺草胺+砜吡草唑 2024年2月,巴斯夫宣布其Surtain除草剂已获美国环保署批准,这款除草剂融合苯嘧磺草胺和砜吡草唑两种活性成分,展现出卓越的杂草防控能力,能够针对79种包括长芒苋、苋菜藤子和巨型豚草在内的阔叶杂草和禾本科杂草进行有效控制。巴斯夫表示,Surtain除草剂独特的化学成分可针对杂草生长周期中最脆弱的阶段,即便是玉米种植者目前面临的最具挑战性的杂草问题,Surtain也能提供出色的解决方案。 Surtain采用固体封装,施用窗口从种植前到芽后早期均可施用。此外,Surtain的桶混灵活性也是一个显著优势,它可以与多种除草剂、液体肥料、助剂以及添加剂(包括UAN和ATS)混合使用,从而为农业生产者提供了更多的灵活性和便利性。 先正达——Storen 精异丙甲草胺29.30%+硝磺草酮3.34%+砜吡草唑1.63%+氟吡草酮0.81% ZC微囊悬浮-悬浮剂 2023年7月,先正达推出了玉米残留除草剂StorenTM,该产品结合了氟吡草酮、硝磺草酮、精异丙甲草胺和砜吡草唑4种残效强大的活性成分,持效期明显优于其他玉米除草剂,防治效果更佳。Storen可用于大田玉米和种子玉米的芽前和芽后,控制超74种杂草,包括长芒苋、水麻、地肤、普通羊蹄草、牵牛花、巨豚草、美洲豚草等。该产品已获美国环保署登记。 科迪华——KyroTM 乙草胺+苯唑草酮+二氯吡啶酸 2023年3月,科迪华推出KyroTM除草剂。这是一种玉米芽后解决方案,是市场上首款将乙草胺、苯唑草酮和二氯吡啶酸结合而成预混制剂的三元复配产品。 Kyro以其三种有效作用模式的结合,提供了强大的苗后杂草防控能力,能够高效控制超过65种包括苋菜藤子、苋菜、豚草、马尾草、马齿苋、稗草、稷和绒杯草在内的顽固和抗性杂草。Kyro由封装的乙草胺配制,作物安全性卓越。Kyro的应用灵活性极高,适用于高达24英寸的玉米植株,兼容性状和非性状玉米产品。另外,Kyro能够与包括莠去津、草甘膦、杀菌剂、杀虫剂和微量营养素在内的多种材料混合使用,储罐混合兼容性出色。 Albaugh——CaballeroTM 二氯吡啶酸+唑嘧磺草胺 2023年3月,Albaugh在美国推出CaballeroTM除草剂。Caballero除草剂采用了氯吡嘧磺隆和氟噻磺隆的先进预混配方,专为抗草甘膦(包括Roundup Ready®或LibertyLink®)和常规田玉米以及青贮玉米设计。其高浓缩配方易于与乙草胺或甲草胺混合,不仅扩大了对多种杂草的控制范围,还有效降低了操作、储存和处理的成本。Albaugh表示Caballero是其在玉米除草剂市场的重要扩展。 安道麦——Apresa 丙炔氟草胺+精异丙甲草胺 2022年6月,安道麦宣布在巴西推出适用于各种作物的苗前除草剂Apresa,独家复配活性成分丙炔氟草胺+精异丙甲草胺。Apresa采用了安道麦的独家T.O.V制剂技术,可最大限度地发挥两种有效成分复配产生的潜在药效。2023年10月,安道麦宣布扩大Apresa®的市场覆盖,除大豆外,该产品还适用于玉米、花生、甘蔗、多种蔬菜以及林业用途。 巴西 主要危害杂草 牛筋草( Eleusine indica )、皱果苋( Amaranthus viridis )、蒺藜 ( Cenchrus echinatus )、马唐( Digitaria horizontalis )、香丝草( Conyza bonariensis )等杂草是巴西玉米作物田的常见杂草。 上新产品 葡萄牙Ascenza——Deflexo 精异丙甲草胺 2023年12月,葡萄牙Ascenza公司在巴西推出除草剂Deflexo(活性成分:精异丙甲草胺)。Deflexo是一款苗前选择性除草剂,施用于出苗前用于控制窄叶杂草。Ascenza表示,Deflexo已在巴西登记用于棉花、甘蔗、油菜籽、豆类、葵花籽、玉米和大豆,其目标杂草包括入侵物种,如绿穗苋、皱果苋、俯仰臂形草和车前臂形草、蒺藜、马唐、牛筋草、牛膝菊、假酸浆、牧地狼尾草、马齿苋、美洲龙葵和阔叶丰花草。 巴西Ourofino Agrociência——Inédito 草铵膦200 g/l+唑草酮10 g/l OD油悬水份散剂 2023年7月,巴西Ourofino Agrociência公司推出了一款创新除草剂Inédito,其配方结合了草铵膦和唑草酮。这款高性能除草剂专为大豆、玉米和棉花播前使用,有效对抗对草甘膦产生抗药性或耐受性的恶性杂草。Inédito的卓越之处在于其快速吸收能力、出色的附着性、与其他解决方案的高兼容性,以及优异的光保护和耐雨水冲刷性。 Ourofino表示,Inédito性能卓越,旨在作物生长的关键敏感期,防止杂草入侵并争夺养分。为了确保产品达到最优的除草效果,Ourofino投入了长达六年的时间,对Inédito进行了深入的研究、严格的评估以及持续的开发和应用优化。 Albaugh——Exemplo LV 2,4-滴二甲胺盐361,2 g/L+2,4-D-diethylammonium442,8 g/L SL可溶液剂 2023年4月,Albaugh公司在巴西市场推出了创新的除草剂Exemplo LV。这款产品融合了2,4-D二甲胺盐和二乙醇胺盐两种活性成分,结合了先进的特殊助剂,显著降低了与市场上同类产品相比的挥发性,从而减少了对环境的潜在影响。 Albaugh强调,Exemplo LV对多种杂草具有显著的防控效果,这对于保障大豆和玉米作物的高产至关重要。在大豆和玉米种植中,Exemplo LV能够有效控制包括牵牛花、皱果苋和香丝草在内的一系列杂草。此外,新一代的Exemplo LV在减少产品气味的同时,增强了桶混稳定性,代表了当前2,4-D除草剂市场的技术前沿。 Farm Hannong——Terrad'or 氟嘧硫草酯 2022年12月末,韩国福阿母韩农(Farm Hannong)表示,该公司生产的新型除草剂Terrad'or(氟嘧硫草酯)已在巴西获得登记。Terrad'or已登记用于巴西大豆、玉米和咖啡,并计划于2023年下半年在南美国家展开销售。 Terrad'or可有效控制对草甘膦和草铵膦具有抗性的杂草,仅需在播种前进行一次性施用,便能展现出卓越的控制效果。福阿母韩农宣称,Terrad'or的除草效果迅速而强劲,同时具备卓越的抗雨冲刷性能。即便在多雨的季节,Terrad'or也能保持稳定的除草效力,确保田间杂草得到有效控制,保障作物的健康生长。 AgroPages世界农化网 独家稿件,转载请注明版权! 查看全部内容 