12月8日，中國農業(yè)科學院作物科學研究所作物分子育種技術和應用創(chuàng)新團隊聯(lián)合河南農業(yè)大學鑒定到調控鐵進入玉米籽粒的關鍵基因ZmNAC78，首次解析了該基因和金屬轉運蛋白共同組成一個分子開關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 mg，比現(xiàn)有生產用玉米籽粒含鐵量超出2倍以上。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。該研究為解決“隱性饑餓”—鐵等微量元素缺乏問題提供了新基因，為培育富鐵作物品種提供了理論和技術支撐。相關研究成果以研究長文的形式在線發(fā)表于《科學（Science）》。

 

　　據(jù)李文學研究員介紹，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人的鐵營養(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，一般而言，玉米籽粒鐵含量與產量呈負相關，這極大限制了培育既高產又富鐵的玉米新品種。2004年，國際農業(yè)研究磋商組織（CGIAR）設立“生物強化挑戰(zhàn)項目”，目前水稻方面已經取得了較大的進展，但由于玉米籽粒結構不同，鐵等營養(yǎng)物質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)領域懸而未決的問題。

 

　　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)結合6份極端材料轉錄組數(shù)據(jù)，鎖定一個參與調控玉米籽粒鐵含量的候選基因ZmNAC78。ZmNAC78在玉米授粉后16-24天的胚乳中高表達，也是營養(yǎng)物質在玉米籽粒中快速積累的時期。ZmNAC78過表達轉基因玉米籽粒鐵含量達到每公斤70.5 mg，顯著高于“生物強化挑戰(zhàn)項目”為玉米設定的玉米籽粒鐵含量每公斤60 mg的目標。

 

　　研究人員進一步解析了鐵元素如何進入到玉米籽粒的分子路徑。實驗顯示，ZmNAC78在玉米營養(yǎng)物質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，能夠直接激活金屬離子轉運蛋白ZmYSL11、ZmNRAMP3與ZmHMA8。實驗證明，3個鐵離子轉運蛋白均在胚乳發(fā)育早期高表達，且這3個鐵轉運蛋白也在基底胚乳傳遞細胞表達，與ZmNAC78表達時間、空間位置一致?；蚬δ苋笔蛔凅w實驗顯示這些金屬轉運蛋白在鐵元素進入玉米籽粒路徑中起到重要的作用，明確了在基底胚乳傳遞細胞中，ZmNAC78和金屬轉運蛋白共同組成一個分子開關控制鐵元素進入玉米籽粒中的轉運通路。

 

　　此外，為探索ZmNAC78在育種上的應用，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ZmNAC78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)（河南省新鄉(xiāng)市原陽縣，pH8.5）和西南玉米區(qū)（廣西省南寧市，pH6.4）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雜交玉米品種每公斤18.5 mg的籽粒平均鐵含量。尤其是組配1的籽粒鐵含量與產量均高于我國區(qū)試對照品種鄭單958，表明ZmNAC78為作為玉米鐵營養(yǎng)關鍵基因且對產量沒有負面影響，為未來培育高產且富鐵的玉米新品種提供了可行方案。

 

　　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。該研究還開發(fā)了富鐵玉米新品種培育的分子標記并率先應用，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，為培育高產與優(yōu)質協(xié)同的作物品種提供了理論和技術支撐。

 

　　中國農科院作科所博士后閆鵬帥為該論文的第一作者，作科所李文學研究員和河南農業(yè)大學湯繼華教授為共同通訊作者。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、中國農業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程、國家自然科學基金和海南崖州灣種子實驗室等項目的資助。

 

　　原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf3256