Science：中國(guó)農(nóng)科院作科所聯(lián)合河南農(nóng)大發(fā)現(xiàn)玉米籽粒鐵轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)鍵分子開(kāi)關(guān)
鐵(Fe)是人體健康必需的微量元素。人類(lèi)飲食中經(jīng)常發(fā)生缺鐵問(wèn)題，并影響到大約20億人，特別是以玉米為主食的國(guó)家地區(qū)居民缺鐵風(fēng)險(xiǎn)更高，因?yàn)橛衩着呷橹需F含量很低。通過(guò)飲用補(bǔ)鐵劑可以增加人飲食中的鐵營(yíng)養(yǎng)含量，但經(jīng)濟(jì)性和消費(fèi)者接受度較低。但通過(guò)基因工程提高作物可食用部分的鐵含量，有助于低成本改善大部分人群的鐵營(yíng)養(yǎng)狀況。通常玉米籽粒中的鐵濃度與玉米產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，使得開(kāi)發(fā)高產(chǎn)富鐵玉米新品種受到限制。此外，鐵是如何轉(zhuǎn)運(yùn)到玉米籽粒中的機(jī)制尚不清楚，因此選擇在不降低產(chǎn)量前提下提高玉米籽粒鐵濃度的遺傳資源是有必要的。
2023年12月8日，中國(guó)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)研究團(tuán)隊(duì)在Science發(fā)表了題為Biofortification of iron content by regulating a NAC transcription factor in maize的研究論文。此研究鑒定了一個(gè)調(diào)節(jié)玉米籽粒鐵濃度的基因ZmNAC78，首次解析了鐵元素進(jìn)入玉米籽粒的分子機(jī)制。利用ZmNAC78開(kāi)發(fā)的分子標(biāo)記，培育出高產(chǎn)且籽粒富鐵的玉米品種。該研究為培育高產(chǎn)與營(yíng)養(yǎng)協(xié)同的作物品種提供了理論和技術(shù)支撐。此研究通過(guò)273個(gè)玉米自交系的全基因組關(guān)聯(lián)分析數(shù)據(jù)，并結(jié)合6份籽粒鐵含量差異材料的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，篩選到一個(gè)可能調(diào)節(jié)玉米籽粒鐵含量的候選基因ZmNAC78。研究發(fā)現(xiàn)，ZmNAC78在授粉后16 ~ 24天（DAP）優(yōu)先在胚乳中表達(dá)，此時(shí)正是玉米籽粒中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)快速積累的時(shí)期。研究人員發(fā)現(xiàn)ZmNAC78的誘變突變體和基因敲除突變體的籽粒鐵含量顯著降低，ZmNAC78過(guò)表達(dá)的轉(zhuǎn)基因玉米籽粒鐵含量顯著增加最高達(dá)到每公斤70.5 mg。以上結(jié)果表明，ZmNAC78對(duì)玉米籽粒鐵濃度具有調(diào)控作用，且與玉米基因型和生長(zhǎng)部位無(wú)關(guān)。此外研究發(fā)現(xiàn)核心啟動(dòng)子區(qū)域的自然變異會(huì)影響ZmNAC78的表達(dá)水平。為了確定ZmNAC78在現(xiàn)代育種上的應(yīng)用，研究人員根據(jù)核心啟動(dòng)子區(qū)域的變異，將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，且從基因選擇來(lái)看在中國(guó)和美國(guó)玉米品種中，單倍型1等位基因頻率隨著培育時(shí)間的推移而增加。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)Indel標(biāo)記來(lái)進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇具有富鐵籽粒的玉米品種，將選育的3個(gè)單倍型1品種、2個(gè)單倍型2品種和鄭單958作為對(duì)照在黃淮海地區(qū)和西南地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Hap1品種的平均籽粒鐵含量均高于Hap2品種。這些結(jié)果表明，ZmNAC78是在不降低產(chǎn)量的情況下實(shí)現(xiàn)玉米鐵生物強(qiáng)化的有利基因資源。ZmNAC78激活鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)基因的表達(dá)研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解析ZmNAC78調(diào)控玉米籽粒鐵含量的分子途徑。實(shí)驗(yàn)表明，ZmNAC78在玉米母本營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向子代的唯一交換面-籽粒胚乳基底轉(zhuǎn)移層BETL中高水平表達(dá)，ZmNAC78可以直接結(jié)合并激活金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白編碼基因ZmHMA8、ZmYSL11和ZmNRAMP3的表達(dá)。這三個(gè)鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白編碼基因在籽粒發(fā)育早期高水平表達(dá)且在基底轉(zhuǎn)移層中表達(dá)，與ZmNAC78的時(shí)空表達(dá)特異性一致，ZmNRAMP3和ZmHMA8的誘變突變體玉米籽粒中的鐵含量顯著降低。這些結(jié)果表明，ZmNAC78與金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在胚乳基底轉(zhuǎn)移層中共同組成一個(gè)分子開(kāi)關(guān)控制鐵元素進(jìn)入玉米籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)通路。此研究揭示了調(diào)控鐵轉(zhuǎn)運(yùn)到玉米籽粒的生物機(jī)制，為其他作物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移的調(diào)節(jié)研究提供了思路。開(kāi)發(fā)并應(yīng)用分子標(biāo)記輔助育種，培育出籽粒鐵含量高、產(chǎn)量高的玉米品種，為解決鐵等微量元素缺乏的“隱性饑餓”問(wèn)題提供了生物強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)手段和遺傳資源。Pengshuai Yan, et al. Biofortification of iron content by regulating a NAC transcription factor in maize[J]. Science, 382, 1159-1165(2023).
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