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《基因研究表明早在 4000 年前玉米就已经适应了高原地区生长》

  • 来源专题：转基因技术
  • 编译者： Zhao
  • 发布时间：2017-08-15

  • 一个由来自纽约康奈尔大学和德国图宾根普朗克遗传生物学研究所的研究人员组成的研究小组发现，在4000年前美国西南部的土著人开始使玉米适应温和的季节变化，并在接下来的2000年中不断改良玉米。研究人员们发表在《科学》杂志上的论文中，研究小组揭示了基因变异使植物适应于生活在更恶劣的环境中。

    玉米起源于墨西哥，大约4000年前就扩展到现在的美国西南部，迅速成为北美洲最重要的农作物之一。然而，研究人员注意到，在接下来的2000年玉米没有再向高地发展。为了更好地理解为什么发生延迟，研究人员研究了早在上世纪70年代在犹他高地的一个山洞里发现的2000岁的玉米棒子的化石样本。

    研究团队测序了15棒子的基因组并与其他玉米品系进行了比较。他们发现，洞穴周围的玉米植株不如其他生长在低海拔地区的玉米植株高，而且有更多的树枝，把这些植物描述得比其他玉米植物更浓密，这是一种能使植物在寒冷地区生长的特性。他们还发现，这种植物开花时间比大多数其他玉米植株早，这一特性有助于它在高海拔地区霜冻之前产生种子。

    预了解更多的细节，可阅读Max Planck Gesellschaft研究新闻。

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  • 《新型转基因玉米产量提高10%》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2019-11-15
    • 长期以来，基因工程的支持者们一直坚信，它将有助于满足全球日益增长的粮食需求。然而，尽管已经培育出许多抗虫害和抗除草剂的转基因作物，科学家在促进农作物产量方面却一直难有作为。如今，研究人员首次证明，通过改变一种促进植物生长的基因，他们终于可以放心地将玉米产量提高10%，而不用管生长条件是好是坏。 “这太不可思议了。”并未参与该项研究的美国艾姆斯市爱荷华州立大学分子生物学家Kan Wang说。她表示，除了提高玉米产量外，新的转基因技术还将激励研究人员努力提高其他农作物的产量。 全世界种植最广泛的转基因作物（包括大豆、玉米和棉花）都是通过一些相对简单的基因改良创造出来的。例如，通过将细菌的一个基因添加到特定的农作物品种中，科学家赋予了它们合成一种可以杀死多种昆虫的蛋白质的能力。另一种简单的基因操作结果可以使农作物抵抗草甘膦或其他除草剂，这样做的一个好处是让农民可以在不侵蚀土壤的前提下除掉杂草。还有一种操作可以在干旱时保护农作物。但是，由于植物的生长过程涉及许多复杂的遗传因素，因此想要培育出在良好条件下产出更多粮食的农作物，难度很大。 从2000年开始，世界各地的转基因公司开始认真筛选能够提高农作物产量的单个基因。然而只有少数经过鉴定的基因显示出了希望，并且由于成功率低，许多公司已经减少或停止筛选与农作物产量有关的基因。 但是Corteva农业科学公司（一家位于特拉华州威明顿的化学和种子公司）的研究人员决定研究那些像总开关一样影响农作物生长和产量的基因。 研究人员选择了在许多植物中常见的一类名为MADS-box的基因，然后在其中选择了一种基因（zmm28）来改变玉米植株。研究调节发育的基因的挑战在于确保它们在正确的时间和正确的组织类型中开启正确的数量。参与领导这项研究的Corteva农业科学公司的植物生理学家Jeff Habben说，如果基因过于活跃，“很容易把植物搞得一团糟”。 研究小组的目标是使zmm28与一个新的启动子融合，后者是一段控制基因激活时间的脱氧核糖核酸。在尝试了十几次之后，他们找到了一种可靠的方法。 通常，当玉米开始开花时，zmm28就会启动。而增加的启动子能够比自然发生更早地启动zmm28，并且在开花后继续促进基因的有益作用。 “如果你让基因工作得更努力、更长久，就能让植物表现得更好。”Wang说。 研究人员在48种商用玉米中测试了增强基因的表现，这些玉米被称为杂交玉米，通常用于饲养牲畜。在2014年至2017年的美国玉米种植区田间试验中，研究人员发现，转基因杂交作物的产量通常比对照组作物多3%~5%。 研究小组本周在美国《国家科学院院刊》上发表报告称，有些玉米的产量增加了8%~10%。同时不管生长条件是好是坏，这种好处都是存在的。 “这是转基因作物在田间环境中对产量发挥实际作用的最好例子之一。”英国哈彭登市洛桑研究所农作物科学家Matthew Paul说。 导致玉米增产的原因有几个。首先，经过基因改造的植物的叶子要稍大一些，从而使植物将阳光转化为糖分的能力提高了8%~9%。 “这种增长确实是一件大事。”Corteva农业科学公司植物生理学家Jingrui Wu说，因为通过基因工程很难改善光合作用。 其次这些植物在利用氮的效率方面也提高了16%~18%。氮是一种重要的土壤营养物质，复杂的遗传因素使其成为植物育种家难以控制的另一种特性。 比利时佛兰德斯VIB研究所分子生物学家Dirk Inze说：“从商业角度来说，这看起来很有希望。”Corteva农业科学公司已经向美国农业部（USDA）申请批准新的高产杂交品种。（虽然zmm28及其启动子在玉米中自然存在，但它们是使用被USDA监管的一种生物技术配对的） Habben估计，这项新技术大概需要6到10年的时间才能获得世界各国的正式批准。Inze说，相关的调控基因很有可能提高其他谷物的产量。 玉米的大规模田间示范“强化了我们的信念，即如果我们处理得当，内在产量是可以提高的”。Wang说，“这确实会给人们带来灵感。”
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  • 《科学家克隆野生玉米变异基因》
    • 来源专题：转基因生物新品种培育
    • 编译者：姜丽华
    • 发布时间：2022-12-07
    •   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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