我國(guó)有句古話，藥補(bǔ)不如食補(bǔ)。生活中，不少人存在缺鐵性貧血問(wèn)題，除了眾所周知的動(dòng)物肝臟、菠菜等食物外，在不久的將來(lái)，富含鐵元素的玉米或?qū)⒊蔀榱硪环N選擇。
經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)記者今天從中國(guó)農(nóng)科院獲悉：該院作物科學(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)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金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白共同組成一個(gè)分子開(kāi)關(guān)控制鐵元素進(jìn)入玉米籽粒的分子機(jī)制。通過(guò)增強(qiáng)該基因的表達(dá)，研究人員使玉米籽粒中的鐵含量顯著提高到每公斤70.5 mg，比現(xiàn)有生產(chǎn)所用玉米籽粒鐵平均含量2倍以上。在上述研究基礎(chǔ)上，利用開(kāi)發(fā)的分子標(biāo)記，研究人員培育出籽粒富鐵的玉米新品系。該研究為解決“隱性饑餓”—鐵等微量元素缺乏問(wèn)題提供了新基因，為培育富鐵作物品種提供了理論和技術(shù)支撐。相關(guān)研究成果北京時(shí)間12月8日以研究長(zhǎng)文的形式在線發(fā)表于《科學(xué)（Science）》。
據(jù)中國(guó)農(nóng)科院作科所研究員李文學(xué)介紹，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(guó)營(yíng)養(yǎng)調(diào)查的數(shù)據(jù)，我國(guó)居民貧血患病率為20.1%，其中一半為缺鐵性貧血。雖然依靠服用補(bǔ)鐵劑等手段可以改善人的鐵營(yíng)養(yǎng)狀況，但是成本較高。如果能提高日常食用作物鐵含量，有助于從根本上低成本地改善大范圍人群的鐵營(yíng)養(yǎng)狀況，這對(duì)于以玉米為主食的發(fā)展中國(guó)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。2004年，國(guó)際農(nóng)業(yè)研究磋商組織（CGIAR）設(shè)立“生物強(qiáng)化挑戰(zhàn)項(xiàng)目”，目前水稻方面已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，但由于玉米籽粒結(jié)構(gòu)不同，鐵等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入需要通過(guò)基底胚乳傳遞細(xì)胞傳遞，其生物學(xué)路徑一直是植物營(yíng)養(yǎng)領(lǐng)域懸而未決的問(wèn)題。
在該項(xiàng)研究中，研究人員利用273份玉米材料數(shù)據(jù)結(jié)合6份極端材料轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，初步鎖定了一個(gè)參與調(diào)控玉米籽粒鐵含量的候選基因ZmNAC78。進(jìn)一步對(duì)其研究發(fā)現(xiàn)，ZmNAC78在玉米授粉后16-24天的胚乳中高表達(dá)，也是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在玉米籽粒中快速積累的時(shí)期。但這是否就是研究人員想要尋找的目標(biāo)呢？讓ZmNAC78過(guò)量表達(dá)，研究人員成功將玉米籽粒中鐵含量提升到每公斤70.5 mg，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 mg的目標(biāo)。
鐵元素究竟是如何進(jìn)入到玉米籽粒的呢？實(shí)驗(yàn)顯示，ZmNAC78在玉米營(yíng)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(shì)表達(dá)，能夠直接激活金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ZmYSL11、ZmNRAMP3與ZmHMA8。實(shí)驗(yàn)證明，3個(gè)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(gè)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白也在基底胚乳傳遞細(xì)胞表達(dá)，與ZmNAC78表達(dá)時(shí)間、空間位置一致。接著，研究人員又進(jìn)行了基因功能缺失突變體實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示這些金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在鐵元素進(jìn)入玉米籽粒的路徑中起到重要的作用，在基底胚乳傳遞細(xì)胞中，ZmNAC78和金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白共同組成一個(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。
此外，為探索ZmNAC78在育種上的應(yīng)用，研究人員將玉米分為籽粒鐵含量高的單倍型1與籽粒鐵含量低的單倍型2，利用ZmNAC78核心啟動(dòng)子序列多態(tài)性開(kāi)發(fā)功能分子標(biāo)記。為避免土壤酸堿度等環(huán)境因素影響，研究人員將選育的3個(gè)單倍型1組配在黃淮海地區(qū)（河南省新鄉(xiāng)市原陽(yáng)縣，pH8.5）和西南玉米區(qū)（廣西南寧市，pH6.4）分別試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其籽粒鐵含量均高于單倍型2組配，平均高出25.82% ~ 33.91%，并且所選育的組配材料也顯著高于國(guó)內(nèi)雜交玉米品種每公斤18.5 mg的籽粒平均鐵含量。尤其是組配1的籽粒鐵含量與產(chǎn)量均高于我國(guó)區(qū)試對(duì)照品種鄭單958，這表明ZmNAC78作為玉米鐵營(yíng)養(yǎng)關(guān)鍵基因?qū)Ξa(chǎn)量沒(méi)有負(fù)面影響，也為未來(lái)培育高產(chǎn)且富鐵的玉米新品種提供了可行方案。
“過(guò)去科學(xué)家們想要培育富鐵作物新品種，但苦于不知道調(diào)控該元素的關(guān)鍵基因，無(wú)從下手，現(xiàn)在找到了該基因并弄清了它進(jìn)入作物的生物學(xué)路徑，這為未來(lái)培育富鐵作物新品種提供了科學(xué)依據(jù)和新思路?！?a target="_blank">作科所副所長(zhǎng)馬有志表示。
在專家們看來(lái)，該研究在揭開(kāi)鐵進(jìn)入玉米籽粒的生物學(xué)路徑的同時(shí)，也為解析營(yíng)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。該研究還開(kāi)發(fā)了富鐵玉米新品種培育的分子標(biāo)記并率先應(yīng)用，選育出富鐵的玉米新組合，為解決鐵等微量元素缺乏的“隱性饑餓”問(wèn)題提供了新材料，為培育高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)協(xié)同的作物品種提供了理論和技術(shù)支撐。
據(jù)了解，中國(guó)農(nóng)科院作科所博士后閆鵬帥為該論文的第一作者，作科所李文學(xué)研究員和河南農(nóng)業(yè)大學(xué)湯繼華教授為共同通訊作者。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程、國(guó)家自然科學(xué)基金和海南崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的資助。
