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能否将玉米的高蛋白基因找回来？
作为世界最高产的农作物之一，玉米的全球年产量高达12亿吨，我国年产玉米2.7亿吨。其中，70%的玉米都用作饲料，有“饲料之王”之称。不过，由于不少杂交玉米籽粒的蛋白质含量不足8%，饲料中还需补充大豆蛋白。
如果让玉米的蛋白质含量提升一个百分点，就相当于节省下了800万吨大豆。这对于保障国家粮食安全，以及我国畜禽养殖业和饲料加工业健康发展，具有重要意义。
在南美洲墨西哥南部的巴尔萨斯河流域，玉米的祖先——大刍草有着高达30%的蛋白质含量。然而，经过9000年的种植驯化，现在的玉米作物慢慢丢失掉了高蛋白的控制基因，变得更注重积累淀粉。
能否将玉米的高蛋白基因找回来？十年前，怀着寻觅玉米高蛋白控制基因的梦想，巫永睿来到中国科学院分子植物科学卓越创新中心建立起自己的研究团队。
野生玉米大刍草（左）和栽培玉米（右）
破解野生玉米基因组，找到高蛋白控制基因
其实，早在几十年前，植物学家就想从玉米祖先那里找回高蛋白控制基因。可惜的是，9000年的漫漫野生岁月，让现代大刍草的基因组变得驳杂难辨，同时也让现代玉米与大刍草的基因组的差别变得非常巨大，甚至超过了人与黑猩猩基因组之间的差距。这都成为定位蛋白控制基因的“拦路虎”。
提取超过4万个样本的DNA进行基因型鉴定、测定超过2万个样本的蛋白含量并进行表型分析、三次大规模高蛋白遗传群体测序……巫永睿与妻子——上海师范大学教授王文琴一起，破解了高度复杂的野生玉米基因组，又连续创制了超过10代的遗传材料，构建起了野生玉米和普通玉米的高世代近等基因系群体。
野生玉米THP9提高玉米蛋白含量和氮素高效利用效率
不同氮水平的引起的生长差异
经过反复实验，研究团队终于从野生玉米中成功克隆到了首个控制玉米高蛋白含量的主效基因THP9。“THP9负责合成的酶，负责合成天冬酰胺，而天冬酰胺是植物合成蛋白质的重要基础原料。”巫永睿介绍，现代玉米中THP9的突变形式THP9-B导致合成天冬酰胺的功能变弱，“我们将野生玉米中的THP9-T引入现代玉米后，种子中的蛋白质含量增加了约35%，根、茎、叶中的氮含量分别增加了54%、94%、18%左右”。
科学家伉俪
上海师范大学王文琴研究员和中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿研究员是一对科学家伉俪，一人在田间地头，一人在计算机房，共同铸就了植物研究的辉煌。
王文琴与巫永睿
巫永睿和王文琴实验室合影
从8%到14%
倾注了研究团队10年的坚守
上海师大人
始终深怀科研报国之志
秉持科学信念
辛勤耕耘结硕果
潜心钻研待花开
作者简历
巫永睿，中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所课题组长，研究员。主要研究方向是玉米籽粒发育的生化遗传学、表观遗传学和玉米种子遗传改良。2019年获得“国家杰出青年基金”。研究工作包括：1、玉米胚乳发育的基因表达调控网络解析；2、优质蛋白玉米（Quality Protein Maize, QPM）胚乳修饰机理研究；3、玉米籽粒重要突变体的基因克隆和功能研究。
王文琴，上海师范大学生命科学学院教授，遗传学硕士生导师。2000毕业于兰州大学，获生物学学士学位；2003年毕业于中国疾病预防控制中心，获免疫学硕士学位；2013年毕业于美国新泽西州立大学，获植物学博士学位；2013-2015年在美国新泽西州立大学从事博士后研究。2015年进入上海交通大学工作，2021年入职上海师范大学。先后主持过国家自然科学基金面上项目、科技部重点研发计划和转基因重大专项。通信作者共发表SCI论文10多篇，包括Nature Communications, PNAS, Plant Biotechnology Journal, BMC Genomics等学术期刊，获国内发明专利1项。现任Frontiers in Genetics和Scientific Data杂志Editor。
来源 | 上海师范大学
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