12月8日，中国农业科学院作物科学研究所作物分子育种技术和应用创新团队联合河南农业大学鉴定到调控铁进入玉米籽粒的关键基因ZmNAC78，首次解析了该基因和金属转运蛋白共同组成一个分子开关控制铁元素进入玉米籽粒的分子机制。利用该基因使玉米籽粒中的铁含量显著提高到每公斤70.5 mg，比现有生产用玉米籽粒含铁量超出2倍以上。同时，利用开发的分子标记，培育出籽粒富铁的玉米新品系。该研究为解决“隐性饥饿”—铁等微量元素缺乏问题提供了新基因，为培育富铁作物品种提供了理论和技术支撑。相关研究成果以研究长文的形式在线发表于《科学（Science）》。
据李文学研究员介绍，全球大约有三分之一的人口受到缺铁引起的贫血病困扰，根据第四次全国营养调查的数据，中国居民贫血患病率为20.1%，其中一半为缺铁性贫血。虽然依靠服用补铁剂等手段可以改善人的铁营养状况，但是成本较高。如果能将日常食用作物铁含量提高，有助于从根本上低成本地改善大范围人群的铁营养状况，这对于以玉米为主食的发展中国家意义尤其重大。然而，一般而言，玉米籽粒铁含量与产量呈负相关，这极大限制了培育既高产又富铁的玉米新品种。2004年，国际农业研究磋商组织（CGIAR）设立“生物强化挑战项目”，目前水稻方面已经取得了较大的进展，但由于玉米籽粒结构不同，铁等营养物质进入需要通过基底胚乳传递细胞传递，其生物学路径一直是植物营养领域悬而未决的问题。
在该项研究中，研究人员利用273份玉米自交系基因型数据结合6份极端材料转录组数据，锁定一个参与调控玉米籽粒铁含量的候选基因ZmNAC78。ZmNAC78在玉米授粉后16-24天的胚乳中高表达，也是营养物质在玉米籽粒中快速积累的时期。ZmNAC78过表达转基因玉米籽粒铁含量达到每公斤70.5 mg，显著高于“生物强化挑战项目”为玉米设定的玉米籽粒铁含量每公斤60 mg的目标。
研究人员进一步解析了铁元素如何进入到玉米籽粒的分子路径。实验显示，ZmNAC78在玉米营养物质进入子代的唯一界面—玉米籽粒基底胚乳传递细胞中优势表达，能够直接激活金属离子转运蛋白ZmYSL11、ZmNRAMP3与ZmHMA8。实验证明，3个铁离子转运蛋白均在胚乳发育早期高表达，且这3个铁转运蛋白也在基底胚乳传递细胞表达，与ZmNAC78表达时间、空间位置一致。基因功能缺失突变体实验显示这些金属转运蛋白在铁元素进入玉米籽粒路径中起到重要的作用，明确了在基底胚乳传递细胞中，ZmNAC78和金属转运蛋白共同组成一个分子开关控制铁元素进入玉米籽粒中的转运通路。
此外，为探索ZmNAC78在育种上的应用，研究人员将玉米分为籽粒铁含量高的单倍型1与籽粒铁含量低的单倍型2，利用ZmNAC78核心启动子序列多态性开发功能分子标记。为避免土壤酸碱度等环境因素影响，研究人员将选育的3个单倍型1组配在黄淮海地区（河南省新乡市原阳县，pH8.5）和西南玉米区（广西省南宁市，pH6.4）分别试验，发现其籽粒铁含量均高于单倍型2组配，平均高出25.82% ~ 33.91%，并且所选育的组配材料也显著高于国内杂交玉米品种每公斤18.5 mg的籽粒平均铁含量。尤其是组配1的籽粒铁含量与产量均高于我国区试对照品种郑单958，表明ZmNAC78为作为玉米铁营养关键基因且对产量没有负面影响，为未来培育高产且富铁的玉米新品种提供了可行方案。
该研究在揭开铁进入玉米籽粒的生物学路径的同时，也为解析营养物质如何进入小麦等具有传递细胞的禾谷类作物提供了新思路。该研究还开发了富铁玉米新品种培育的分子标记并率先应用，选育出富铁的玉米新组合，为解决铁等微量元素缺乏的“隐性饥饿”问题提供了新材料，为培育高产与优质协同的作物品种提供了理论和技术支撑。
中国农科院作科所博士后闫鹏帅为该论文的第一作者，作科所李文学研究员和河南农业大学汤继华教授为共同通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划、中国农业科学院科技创新工程、国家自然科学基金和海南崖州湾种子实验室等项目的资助。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf3256
日期：2023-12-11
