如果想要提高作物中的某種營養(yǎng)元素,同時不影響產(chǎn)量,能做到嗎?近日我國科學(xué)家的一項成果給出了肯定的答案。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所等團(tuán)隊鑒定到調(diào)控鐵進(jìn)入玉米籽粒的關(guān)鍵基因,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(jìn)入玉米籽粒的分子機(jī)制。
這項研究為解決“隱性饑餓”——鐵等微量元素缺乏問題提供了新基因,為培育高產(chǎn)與營養(yǎng)協(xié)同的作物品種提供了理論和技術(shù)支撐。該成果相關(guān)研究成果今天(8日)發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。
據(jù)了解,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。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(chǎn)量呈負(fù)相關(guān),這極大限制了培育既高產(chǎn)又富鐵的玉米新品種。
由于玉米籽粒結(jié)構(gòu)不同,鐵等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入需要通過基底胚乳傳遞細(xì)胞傳遞,其生物學(xué)路徑一直是植物營養(yǎng)領(lǐng)域懸而未決的問題。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員李文學(xué)團(tuán)隊利用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。
李文學(xué):玉米基因組復(fù)雜,而且玉米的籽粒的鐵含量基因很多是基因控制的。咱們用于挖掘這個所有材料的集合,我們專業(yè)說叫群體,他的群體里邊包含了非常豐富的遺傳信息。全基因組關(guān)聯(lián)分析是常用的方法,但是原來大家習(xí)慣用雙親群體,這樣后代的遺傳信息相對來說就會沒有那么豐富?,F(xiàn)在我們用了自然群體去做的,那個鐵含量正好是符合一個非常好的正態(tài)分布,就是這個群體非常適合做鐵的相關(guān)研究。我們在分析方法上往前走了一小步,因為別人去做的時候是用極端材料混在一塊去測,我們是把它單獨拿出來一個去測,測完之后是兩兩比較,很快鎖定了這個基因。
研究團(tuán)隊不但鎖定了這個基因,還發(fā)現(xiàn)了它如何控制玉米籽粒中鐵含量的表達(dá)路徑。李文學(xué)表示,首先這個基因的表達(dá)時間在意料之中。
李文學(xué):一般營養(yǎng)物質(zhì)是在玉米授粉后15~25天是一個快速積累的時期,這個基因正好它的表達(dá)最高峰和現(xiàn)在營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)來的最高峰是一致的。
其次,他們發(fā)現(xiàn)這個基因的表達(dá)位置非常特別。
李文學(xué):我們當(dāng)時想它轉(zhuǎn)錄因子會不會調(diào)控胚乳上的一些東西。通過這種增加鐵含量,但是做完原位雜交之后發(fā)現(xiàn)它在胚乳的基底轉(zhuǎn)移細(xì)胞表達(dá),而且這個細(xì)胞在玉米上它是唯一有母本進(jìn)入到后代個體中的唯一的一個界面。
研究團(tuán)隊在田間種植玉米新組合 (中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所 供圖)
更有意思的是,為探索這個基因在育種上的應(yīng)用,研究人員在田間進(jìn)行了實地試驗。他們分別在黃淮海地區(qū)的河南省新鄉(xiāng)市原陽縣和西南玉米區(qū)的廣西南寧市種植新組合,結(jié)果表明所選育的組培材料顯著高于國內(nèi)雜交玉米品種每公斤18.5 mg的籽粒平均鐵含量,并且產(chǎn)量沒有受到影響。
李文學(xué):其實玉米自交系之間的基因組差異是非常大的,我們就根據(jù)這些不同的地方去找標(biāo)記,再去選相應(yīng)好的父母本,我們再去做雜交。根據(jù)我們現(xiàn)在的結(jié)果,對產(chǎn)量沒有副作用,鐵含量也高了。
團(tuán)隊種出富鐵的玉米新組合 (中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所 供圖)
團(tuán)隊種出的這些富鐵的玉米新組合有望在未來幾年通過審定,成為玉米新品種。此外,這項研究在揭開鐵進(jìn)入玉米籽粒的生物學(xué)路徑的同時,也為解析營養(yǎng)物質(zhì)如何進(jìn)入小麥等具有傳遞細(xì)胞的禾谷類作物提供了新思路。
李文學(xué):如果要想提高鐵、鋅這些微量元素含量的時候,其實大部分人都是以水稻為模式作物來做的。但是水稻沒有基底轉(zhuǎn)移細(xì)胞,它的細(xì)胞結(jié)構(gòu)與玉米是完全不同的,小麥它具有類似細(xì)胞結(jié)構(gòu)。小麥中的這種類似轉(zhuǎn)移細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和玉米上的轉(zhuǎn)移細(xì)胞它們行使類似的功能。三大主糧作物中,至少我覺得對小麥也會提供一個非常好的思路。