9000年驯化路丢失“好品质” 上海夫妻科学家帮玉米“找回”高蛋白，实现真正“牛奶玉米”

图说：野生玉米THP9提高玉米蛋白含量和氮素高效利用效率 来源/中科院分子植物科学卓越创新中心（下同）

人类祖先9000多年前就开始驯化野生玉米了，从墨西哥南部的巴尔萨斯河流域将它带到世界各地，成为世界上最高产的农作物之一。然而，现代玉米却在追求产量、淀粉含量更高的育种目标中“丢失”了玉米祖先的高蛋白好“品质”。

经过十年的努力，上海夫妻档科学家从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。相关研究成果于北京时间今天凌晨在国际顶尖学术期刊《自然》（Nature）上发表。

图说：野生玉米大刍草（左）和栽培玉米（右）

提高蛋白含量很重要

如今玉米做成的食品多种多样。不过，它还有大用途，70%的玉米都是用作饲料——谁让人家全球年产12亿吨，而且有效能量多，“饲料之王”当之无愧。

人们对肉蛋奶的需求得靠畜禽养殖业来解决。由于普通玉米籽粒蛋白含量较低，大部分杂交种籽粒蛋白含量不到8%，因此饲料中需要补充大豆蛋白，然而大豆严重依赖进口——去年大豆进口超过1亿吨，对外依存度超过85%，这成为了我国畜禽养殖业的“卡脖子”问题。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员巫永睿算过一笔账：如果普通玉米蛋白含量每提高一个百分点，相当于中国可以少进口近800万吨大豆。

十年前，他从美国博士后学成归国时，就和妻子王文琴教授带回大量野生玉米，开始布局通过提高玉米自身蛋白含量来缓解蛋白饲料缺乏的现状。两人很清楚，国际上基因资源争夺日趋白热化，要把饭碗牢牢端在自己手上，就得用好先进生物技术，找到新基因！

提取4万个样本DNA

研究团队实验发现，普通玉米自交系蛋白含量约为10%，而玉米祖先野生玉米在没有施加氮肥条件下种子蛋白含量都高达30%，其含量是现代普通栽培玉米的3倍！

一系列科学问题随着调查结果被提出：野生玉米控制高蛋白含量的关键基因是什么？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？

图说：科研团队在三亚创制野生玉米高蛋白遗传群体

研究团队第一步要做的，是基因测序。“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。”巫永睿感慨。他们通过三代测序技术和三维基因组相结合的策略，摸索并成功拼装出既杂合又复杂的野生玉米单倍体基因组，用于野生玉米高蛋白基因的定位和克隆。

在基因克隆过程中，研究团队提取了超过4万个样本的DNA，测定了超过2万个样本的蛋白含量，共展开3次大规模高蛋白遗传群体的测序以及精细的图位克隆，最终从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。

这一野生玉米的优良基因被导入“普通玉米”后，神奇的结果出现了——种子蛋白质含量增加约35%，并且植株整体重量也大大增加，“THP9简直是高蛋白的‘工厂’！”

“高蛋白工厂”还很绿色

THP9可不仅能提高蛋白质含量，它还给科学家们带来了“彩蛋”！研究发现，它还具有氮高效的特性。换句话说，即使氮肥减少，携带这一基因的玉米和正常施肥的普通玉米产量相当——这可还是个降低种植成本、减少环境污染的“绿色基因”！

图说：研究团队下田归来，衣衫尽湿

研究团队在三亚南繁基地进行了大规模田间试验，将野生玉米高蛋白基因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，大田试验也再次给出了喜人的结果：不仅显著提高“郑单958”的籽粒蛋白含量——自交系达到14%以上，而且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。

“这项工作强调了将野生祖先的遗传变异引入优质作物的潜力，以促进更可持续的农业和未来的粮食安全。”国际同行对这项发现也是赞不绝口。记者了解到，THP9的专利转化已经被摆上议程，相关企业自2019年来就对这一发现颇有兴趣。

“牛奶玉米”更名副其实

巫永睿回忆，研究过程中，团队采取的是“以空间抢时间”的策略，上海种一季，海南种一季，循环往复，以期更快获得不同代际的样本。除此之外，研究团队还要把“希望的种子”撒在山东和哈尔滨的土地上，那里是我国玉米的主产区。

图说：巫永睿和王文琴实验室合影

“给近2万株玉米套袋就是个体力活，在杂交过程中，套袋不严实就会有其他的花粉影响遗传稳定性。”巫永睿回忆，妻子王文琴是上海师范大学教授，则在基因组测序方面提供了大量帮助。

在巫永睿心里，也有个高蛋白玉米基因挖掘和材料创制的“三步走”计划，第一步克隆一个主效高蛋白基因已然完成；下一步是要克隆4个最主效高蛋白基因，使其亲本自交系籽粒蛋白含量达到16%以上；而“终极目标”是克隆自然群体中所有高、低蛋白基因，改良“郑单958”，让蛋白含量突破20%大关！

现在的“牛奶玉米”，是因为其籽粒如牛奶般白皙，并且入口鲜甜、汁水多能爆浆。巫永睿说，未来当更多高蛋白基因被导入进栽培玉米后，“牛奶玉米”会更名副其实。

新民晚报记者 郜阳