12月8日，《科學》刊文稱我國科學家發(fā)現(xiàn)玉米籽粒鐵轉(zhuǎn)運分子開關(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)科學院作物科學研究所作物分子育種技術(shù)和應(yīng)用創(chuàng)新團隊聯(lián)合河南農(nóng)業(yè)大學鑒定到調(diào)控鐵進入玉米籽粒的關(guān)鍵基因ZmNAC78，首次解析了該基因和金屬轉(zhuǎn)運蛋白共同組成一個分子開關(guān)控制鐵元素進入玉米籽粒的分子機制。
“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，利用開發(fā)的分子標記，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)科學院作物科學研究所研究員李文學在接受科技日報記者采訪時表示。
鐵進入籽粒路徑不清 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‘生物強化挑戰(zhàn)項目’，目前在水稻上已經(jīng)取得了較大的進展，但由于玉米籽粒結(jié)構(gòu)不同，鐵等營養(yǎng)物質(zhì)進入需要通過基底胚乳傳遞細胞傳遞，其生物學路徑一直是植物營養(yǎng)領(lǐng)域懸而未決的問題?！崩钗膶W說。
鎖定關(guān)鍵基因 發(fā)現(xiàn)玉米籽粒鐵轉(zhuǎn)運分子開關(guān)
在該項研究中，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，這也是營養(yǎng)物質(zhì)在玉米籽粒中快速積累的時期。
“該基因過表達玉米籽粒鐵含量達到每公斤70.5毫克，顯著高于‘生物強化挑戰(zhàn)項目’為玉米設(shè)定的玉米籽粒鐵含量每公斤60毫克的目標?！崩钗膶W說。
研究人員進一步解析了鐵元素如何進入玉米籽粒的分子路徑。實驗顯示，該基因在玉米營養(yǎng)物質(zhì)進入子代的唯一界面——玉米籽?；着呷閭鬟f細胞中優(yōu)勢表達，能夠直接激活3個金屬離子轉(zhuǎn)運蛋白。
實驗證明，3個鐵離子轉(zhuǎn)運蛋白均在胚乳發(fā)育早期高表達，且這3個鐵轉(zhuǎn)運蛋白也在基底胚乳傳遞細胞表達，與該基因表達時間、空間位置一致。
“基因功能缺失突變體實驗顯示，這些金屬轉(zhuǎn)運蛋白在鐵元素進入玉米籽粒路徑中起到重要作用，在基底胚乳傳遞細胞中，該基因和金屬轉(zhuǎn)運蛋白共同組成一個分子開關(guān)控制鐵元素進入玉米籽粒中的轉(zhuǎn)運通路。”李文學指出。
開發(fā)富鐵玉米新品種 培育分子標記并率先應(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個單倍型1組配在黃淮海地區(qū)和西南玉米區(qū)分別試驗，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?！崩钗膶W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，李文學和河南農(nóng)業(yè)大學湯繼華教授為共同通訊作者。
該研究在揭開鐵進入玉米籽粒的生物學路徑的同時，也為解析營養(yǎng)物質(zhì)如何進入小麥等具有傳遞細胞的禾谷類作物提供了新思路。
