資料顯示，全球約有20億人處在微量元素缺乏的“隱性饑餓”之中，超過25億人受到缺鐵性貧血的困擾。在中國，貧血患者超過7億人，其中有一半的人為缺鐵性貧血。
為應(yīng)對微量元素缺乏造成的“隱性饑餓”問題，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所作物分子育種技術(shù)和應(yīng)用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)聯(lián)合河南農(nóng)業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)，鑒定到調(diào)控鐵元素進(jìn)入玉米籽粒的關(guān)鍵基因ZmNAC78，并首次解析了該基因和鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)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。這一研究不僅發(fā)現(xiàn)了新基因，也為培育高產(chǎn)且富鐵的玉米新品種提供了理論與技術(shù)支持。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，并入選中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院發(fā)布的《2024中國農(nóng)業(yè)科學(xué)重大進(jìn)展》。
“利用該基因，我們讓玉米籽粒中的鐵含量顯著提高到每公斤70.5毫克，超出現(xiàn)有玉米籽粒平均含鐵量2倍。同時，利用開發(fā)的分子標(biāo)記，我們培育出籽粒富鐵的玉米新品系。”論文通訊作者、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)在接受科技日報(bào)記者采訪時說。
鐵含量與產(chǎn)量負(fù)相關(guān)
鐵是人體中含量最高的微量元素，也是人體必需的微量元素，承擔(dān)著合成血紅蛋白、肌紅蛋白等功能。它是人體中多種酶的組成部分，也是心、肝、腎等器官正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵元素。鐵如此重要，但在人類社會中，缺鐵卻是最普遍的問題之一。
“全球大約有三分之一的人受到缺鐵引起的貧血病困擾，我國缺鐵性貧血的發(fā)病率為10%。雖然依靠服用補(bǔ)鐵劑等手段可以改善人的鐵營養(yǎng)狀況，但是成本較高且可能帶來副作用。”中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院副院長曹永生說，如果能將糧食作物的籽粒含鐵量提高，將有助于低成本地改善大范圍人群的鐵營養(yǎng)狀況。
玉米作為全球廣泛種植的重要糧食作物，營養(yǎng)價值豐富，但在鐵元素含量方面卻一直表現(xiàn)平平。一般情況下，每100克玉米中的鐵含量大約在0.3毫克到1.0毫克之間。這個數(shù)值與人們熟知的一些高鐵含量食物差距明顯，如每100克黃豆中的鐵含量可達(dá)7毫克左右，每100克水稻中的鐵含量大約在1.1毫克。
“玉米籽粒鐵含量一般與產(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。自2004年國際農(nóng)業(yè)研究磋商組織設(shè)立‘生物強(qiáng)化挑戰(zhàn)項(xiàng)目’以來，相關(guān)團(tuán)隊(duì)在富鐵水稻研究方面已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展。”李文學(xué)說，但由于玉米籽粒結(jié)構(gòu)不同，鐵等微量元素進(jìn)入其中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。
鎖定鐵調(diào)控關(guān)鍵基因
在研究過程中，研究人員利用273份玉米自交系基因型數(shù)據(jù)，并結(jié)合6份極端材料轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，成功鎖定一個參與調(diào)控玉米籽粒鐵含量的候選基因ZmNAC78。該基因在玉米授粉后16到24天的胚乳中高表達(dá)，這也是營養(yǎng)物質(zhì)在玉米籽粒中快速積累的時期。
“該基因過表達(dá)時，玉米籽粒含鐵量可達(dá)到每公斤70.5毫克，顯著高于‘生物強(qiáng)化挑戰(zhàn)項(xiàng)目’為玉米設(shè)定的玉米籽粒鐵含量每公斤60毫克的目標(biāo)。”李文學(xué)說。
研究人員進(jìn)一步解析了鐵元素進(jìn)入玉米籽粒的分子路徑。實(shí)驗(yàn)顯示，該基因在玉米營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入子代的唯一界面——玉米籽粒基底胚乳傳遞細(xì)胞中優(yōu)勢表達(dá)，能夠直接激活3個鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。
實(shí)驗(yàn)證明，3個鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白均在胚乳發(fā)育早期高表達(dá)，且這3個鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白也在基底胚乳傳遞細(xì)胞中表達(dá)，與基因ZmNAC78表達(dá)時間、空間位置一致。
“基因功能缺失突變體實(shí)驗(yàn)顯示，這些鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在鐵元素進(jìn)入玉米籽粒路徑中起到重要作用。在基底胚乳傳遞細(xì)胞中，基因ZmNAC78和鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白共同組成一個分子開關(guān)控制鐵元素進(jìn)入玉米籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)通路。”李文學(xué)說。
這一系列發(fā)現(xiàn)，為培育富鐵玉米奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
一個關(guān)鍵基因的發(fā)現(xiàn)，意味著未來可能有更多富鐵玉米的出現(xiàn)。“這是‘從0到1’的進(jìn)步。”李文學(xué)說。該研究在揭開鐵進(jìn)入玉米籽粒的生物學(xué)路徑的同時，也為解析微量元素如何進(jìn)入小麥等具有傳遞細(xì)胞的禾谷類作物提供了新思路。
促進(jìn)全球人口營養(yǎng)提升
為探索基因ZmNAC78在現(xiàn)代育種上的應(yīng)用，研究人員利用該基因開發(fā)的分子標(biāo)記輔助選擇籽粒鐵含量不同的玉米品種，并將選育出的玉米自交系分為籽粒鐵含量高的單倍型1和籽粒鐵含量低的單倍型2。此后，研究團(tuán)隊(duì)將選育的3個單倍型1品種、2個單倍型2品種和對照品種鄭單958在黃淮海地區(qū)和西南地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)種植。
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，基因ZmNAC78是在不降低產(chǎn)量的情況下增強(qiáng)玉米鐵元素的有利基因資源。此外，研究發(fā)現(xiàn)選育的3個單倍型1品種的籽粒鐵含量比單倍型2品種平均高出25.82%—33.91%，并且所選育的品種籽粒含鐵量都顯著高于國內(nèi)雜交玉米品種每公斤18.5毫克的籽粒平均鐵含量。
“這是一項(xiàng)重大科學(xué)前沿工作，同時又非常有實(shí)際用處。不光能解決中國的民生問題，也能解決世界性民生問題。”著名生物學(xué)家、美國國家科學(xué)院院士鄧興旺說。
華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授儲成才表示，在我國，作物對鐵的吸收受土壤酸堿度的影響很大，而這個新成果，在偏堿性的土地上仍能有效提高作物鐵含量，將來有望應(yīng)用于國內(nèi)鹽堿地等邊際土地。同時，新成果應(yīng)用于非洲等土壤貧瘠地區(qū)，增加玉米甚至是其他禾本科植物的鐵含量，對中國乃至全球人口營養(yǎng)補(bǔ)充都有非常重要的意義。
對于發(fā)展中國家，尤其是那些以玉米為主食且面臨營養(yǎng)匱乏問題的地區(qū)而言，富鐵玉米的推廣種植將是改善民眾營養(yǎng)狀況的一劑良方。通過日常飲食增加鐵元素的攝入，能夠有效預(yù)防和緩解缺鐵性貧血等疾病，提高民眾的身體素質(zhì)，尤其是對兒童的身體和心智發(fā)育有著不可估量的積極作用。
“我國農(nóng)業(yè)科研工作者，既要解決重大科學(xué)問題，也要解決重大產(chǎn)業(yè)問題。產(chǎn)量雖是首要問題，但營養(yǎng)、品質(zhì)、抗性、養(yǎng)分高效利用等農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展要素同樣不可忽視，這都是利用基因育種的研究方向。”中國工程院院士萬建民表示，此項(xiàng)成果或可有效解決產(chǎn)業(yè)需求，意義重大。
資料顯示，全球約有20億人處在微量元素缺乏的“隱性饑餓”之中，超過25億人受到缺鐵性貧血的困擾。在中國，貧血患者超過7億人，其中有一半的人為缺鐵性貧血。
為應(yīng)對微量元素缺乏造成的“隱性饑餓”問題，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所作物分子育種技術(shù)和應(yīng)用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)聯(lián)合河南農(nóng)業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)，鑒定到調(diào)控鐵元素進(jìn)入玉米籽粒的關(guān)鍵基因ZmNAC78，并首次解析了該基因和鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)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。這一研究不僅發(fā)現(xiàn)了新基因，也為培育高產(chǎn)且富鐵的玉米新品種提供了理論與技術(shù)支持。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，并入選中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院發(fā)布的《2024中國農(nóng)業(yè)科學(xué)重大進(jìn)展》。
“利用該基因，我們讓玉米籽粒中的鐵含量顯著提高到每公斤70.5毫克，超出現(xiàn)有玉米籽粒平均含鐵量2倍。同時，利用開發(fā)的分子標(biāo)記，我們培育出籽粒富鐵的玉米新品系。”論文通訊作者、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)在接受科技日報(bào)記者采訪時說。
鐵含量與產(chǎn)量負(fù)相關(guān)
鐵是人體中含量最高的微量元素，也是人體必需的微量元素，承擔(dān)著合成血紅蛋白、肌紅蛋白等功能。它是人體中多種酶的組成部分，也是心、肝、腎等器官正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵元素。鐵如此重要，但在人類社會中，缺鐵卻是最普遍的問題之一。
“全球大約有三分之一的人受到缺鐵引起的貧血病困擾，我國缺鐵性貧血的發(fā)病率為10%。雖然依靠服用補(bǔ)鐵劑等手段可以改善人的鐵營養(yǎng)狀況，但是成本較高且可能帶來副作用。”中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院副院長曹永生說，如果能將糧食作物的籽粒含鐵量提高，將有助于低成本地改善大范圍人群的鐵營養(yǎng)狀況。
玉米作為全球廣泛種植的重要糧食作物，營養(yǎng)價值豐富，但在鐵元素含量方面卻一直表現(xiàn)平平。一般情況下，每100克玉米中的鐵含量大約在0.3毫克到1.0毫克之間。這個數(shù)值與人們熟知的一些高鐵含量食物差距明顯，如每100克黃豆中的鐵含量可達(dá)7毫克左右，每100克水稻中的鐵含量大約在1.1毫克。
“玉米籽粒鐵含量一般與產(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。自2004年國際農(nóng)業(yè)研究磋商組織設(shè)立‘生物強(qiáng)化挑戰(zhàn)項(xiàng)目’以來，相關(guān)團(tuán)隊(duì)在富鐵水稻研究方面已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展。”李文學(xué)說，但由于玉米籽粒結(jié)構(gòu)不同，鐵等微量元素進(jìn)入其中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。
鎖定鐵調(diào)控關(guān)鍵基因
在研究過程中，研究人員利用273份玉米自交系基因型數(shù)據(jù)，并結(jié)合6份極端材料轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，成功鎖定一個參與調(diào)控玉米籽粒鐵含量的候選基因ZmNAC78。該基因在玉米授粉后16到24天的胚乳中高表達(dá)，這也是營養(yǎng)物質(zhì)在玉米籽粒中快速積累的時期。
“該基因過表達(dá)時，玉米籽粒含鐵量可達(dá)到每公斤70.5毫克，顯著高于‘生物強(qiáng)化挑戰(zhàn)項(xiàng)目’為玉米設(shè)定的玉米籽粒鐵含量每公斤60毫克的目標(biāo)。”李文學(xué)說。
研究人員進(jìn)一步解析了鐵元素進(jìn)入玉米籽粒的分子路徑。實(shí)驗(yàn)顯示，該基因在玉米營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入子代的唯一界面——玉米籽粒基底胚乳傳遞細(xì)胞中優(yōu)勢表達(dá)，能夠直接激活3個鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。
實(shí)驗(yàn)證明，3個鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白均在胚乳發(fā)育早期高表達(dá)，且這3個鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白也在基底胚乳傳遞細(xì)胞中表達(dá)，與基因ZmNAC78表達(dá)時間、空間位置一致。
“基因功能缺失突變體實(shí)驗(yàn)顯示，這些鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在鐵元素進(jìn)入玉米籽粒路徑中起到重要作用。在基底胚乳傳遞細(xì)胞中，基因ZmNAC78和鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白共同組成一個分子開關(guān)控制鐵元素進(jìn)入玉米籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)通路。”李文學(xué)說。
這一系列發(fā)現(xiàn)，為培育富鐵玉米奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
一個關(guān)鍵基因的發(fā)現(xiàn)，意味著未來可能有更多富鐵玉米的出現(xiàn)。“這是‘從0到1’的進(jìn)步。”李文學(xué)說。該研究在揭開鐵進(jìn)入玉米籽粒的生物學(xué)路徑的同時，也為解析微量元素如何進(jìn)入小麥等具有傳遞細(xì)胞的禾谷類作物提供了新思路。
促進(jìn)全球人口營養(yǎng)提升
為探索基因ZmNAC78在現(xiàn)代育種上的應(yīng)用，研究人員利用該基因開發(fā)的分子標(biāo)記輔助選擇籽粒鐵含量不同的玉米品種，并將選育出的玉米自交系分為籽粒鐵含量高的單倍型1和籽粒鐵含量低的單倍型2。此后，研究團(tuán)隊(duì)將選育的3個單倍型1品種、2個單倍型2品種和對照品種鄭單958在黃淮海地區(qū)和西南地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)種植。
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，基因ZmNAC78是在不降低產(chǎn)量的情況下增強(qiáng)玉米鐵元素的有利基因資源。此外，研究發(fā)現(xiàn)選育的3個單倍型1品種的籽粒鐵含量比單倍型2品種平均高出25.82%—33.91%，并且所選育的品種籽粒含鐵量都顯著高于國內(nèi)雜交玉米品種每公斤18.5毫克的籽粒平均鐵含量。
“這是一項(xiàng)重大科學(xué)前沿工作，同時又非常有實(shí)際用處。不光能解決中國的民生問題，也能解決世界性民生問題。”著名生物學(xué)家、美國國家科學(xué)院院士鄧興旺說。
華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授儲成才表示，在我國，作物對鐵的吸收受土壤酸堿度的影響很大，而這個新成果，在偏堿性的土地上仍能有效提高作物鐵含量，將來有望應(yīng)用于國內(nèi)鹽堿地等邊際土地。同時，新成果應(yīng)用于非洲等土壤貧瘠地區(qū)，增加玉米甚至是其他禾本科植物的鐵含量，對中國乃至全球人口營養(yǎng)補(bǔ)充都有非常重要的意義。
對于發(fā)展中國家，尤其是那些以玉米為主食且面臨營養(yǎng)匱乏問題的地區(qū)而言，富鐵玉米的推廣種植將是改善民眾營養(yǎng)狀況的一劑良方。通過日常飲食增加鐵元素的攝入，能夠有效預(yù)防和緩解缺鐵性貧血等疾病，提高民眾的身體素質(zhì)，尤其是對兒童的身體和心智發(fā)育有著不可估量的積極作用。
“我國農(nóng)業(yè)科研工作者，既要解決重大科學(xué)問題，也要解決重大產(chǎn)業(yè)問題。產(chǎn)量雖是首要問題，但營養(yǎng)、品質(zhì)、抗性、養(yǎng)分高效利用等農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展要素同樣不可忽視，這都是利用基因育種的研究方向。”中國工程院院士萬建民表示，此項(xiàng)成果或可有效解決產(chǎn)業(yè)需求，意義重大。
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