继2022年从野生玉米中挖掘到首个高蛋白基因THP9-T后，中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员巫永睿又与国内合作者一起，成功克隆了第二个玉米高蛋白主效基因THP3-T。 在这两个基因的协力工作下，自交系玉米籽粒中蛋白含量一举从10%最高提升至15%。该研究使我国推广面积最大的玉米杂交种“郑单958”的籽粒蛋白含量从8.5%提升至12%-13%，且产量保持稳定。 6月3日深夜，相关成果在线发表于国际知名学术期刊《自然》。不过，比发顶刊更让巫永睿团队兴奋的是一份来自权威机构的饲用价值评估报告——高蛋白玉米不仅可部分替代进口豆粕，还有望使鸡蛋、猪肉等禽畜产品风味更佳。目前，已与新希望、牧原等养殖企业签约合作。 回国14年，找到两个关键基因。巫永睿说，如今，这种需要十几年长期稳定支持的原始创新，放眼全球，也许只有在中国、在上海，才可能做成。 玉米被誉为“饲料之王”。我国玉米年产量约3亿吨，70%以上用作饲料。不过，由于不少杂交玉米籽实的蛋白质含量不足8%，饲料中还需补充大豆蛋白。如能让饲用玉米蛋白含量提高4个百分点，相当于我国可减少进口30%左右的大豆，折合约3000多万吨。 “若能培育出高蛋白玉米，就能大幅缓解我国蛋白饲料粮严重依赖进口的困境。”2012年，巫永睿带着这份初心回国来到上海，加入中国科学院分子植物卓越中心，开始了漫长而艰辛的探索。 玉米的野生祖先大刍草，其蛋白质含量可高达30%。但经过近万年的驯化，尤其在现代育种追求高产的过程中，其高蛋白基因不知不觉被丢弃了。为重新找回这些基因，巫永睿带着团队起早贪黑，奔波于全国各地的田间野外，先后梳理检测了4万多份样本材料，终于把玉米基因中的高蛋白“版图”基本摸清。 十年后，巫永睿团队率先从野生玉米中克隆了首个高蛋白基因THP9-T，将杂交种玉米的蛋白含量从8.5%提升至11%。又隔四年，他们通过精细定位和图位克隆，从野生玉米中挖掘到第二个高蛋白基因THP3-T。 “这是提升玉米蛋白含量最好用的两个基因。”巫永睿说，多年来，他们在全国不同地点开展的田间试验表明，THP3-T能在不影响产量的前提下，可将自交系籽粒蛋白含量从10%提升至13%以上，同时提高全株蛋白含量，哪怕土壤中氮肥不足，也能让植株保持较高蛋白含量。 更让团队惊喜的是，THP9-T和THP3-T正好属于上下游合作关系，还能一起协作，共同提升玉米蛋白含量——试验田中，自交系的玉米籽粒最高蛋白含量突破15%。 刚回国时，巫永睿定下了提高玉米蛋白含量的“三步走”目标：第一步从8%突破到10%，第二步提升至15%，第三步则希望突破20%。“现在，我们已实现了第二步。” 基础研究发现极为不易。群体遗传学分析发现，THP3-T在现代玉米品种中出现的频率仅为2.1%，非常稀有。这项研究为高蛋白玉米育种补齐了关键的“基因拼图”。 不过，这个联合团队的目标早已不是单纯发表论文，而要让成果尽早落地到养殖场，把高蛋白玉米做成动物爱吃的饲料。当他们把玉米样品送到我国饲料研究权威机构——中国科学院亚热带农业生态研究所，李凤娜研究员很快接手，带领团队对样品开展系统的营养价值和饲用价值评估。 “玉米是全品类饲料原料中的第一大宗原料，年使用量达1.8亿吨，在畜禽饲料配方中占比超过50%。”李凤娜说，评估结果令人振奋：样品不仅蛋白含量高，而且绝大部分氨基酸含量全面增加，“它就像一个几乎没有短板的木桶，蛋白质品质非常好”。 更好的消息是，蛋鸡在食用高蛋白玉米饲料后，氨基酸等养分表观消化率稳定在70%-90%，表现优秀。而且，蛋鸡饲料吃得少，产蛋率反在提升，所产鸡蛋蛋黄比例显著增加、蛋壳更厚。电子鼻和电子舌分析显示，鸡蛋的香醇风味和鲜味显著增加，苦味和涩味减弱——在真人试吃盲评试验中，这种鸡蛋口味获得了好评。 基于这些研究数据，李凤娜团队计算出了高蛋白玉米的豆粕替代潜力：在育肥猪后期，高蛋白玉米可以替代50%-100%的豆粕，甚至实现“零豆粕”；在蛋鸡和肉鸡饲料中，可节约7%-10%的豆粕。“我们已开始向养殖企业推荐将高蛋白玉米用作饲料，希望通过饲料配比的深入研究，给企业带来更多收益。”李凤娜说。 2012年起，巫永睿团队先后从中国科学院获得科技先导专项A类和B类项目支持，此后又得到国家自然科学基金委、科学探索奖，以及上海尚思自然科学研究院“尚思探索学者”等计划的稳定支持，这让团队能够心无旁骛，坚持十多年“挂图作战”，把研究“一竿子插到底”。 “我们不能总陶醉在顶刊论文上。”中国科学院院士、分子植物卓越中心主任韩斌认为，基础研究在实现“从0到1”的原创突破后，更要持续发力，全链条打通赋能产业的每一个环节。 去年底，分子植物卓越中心成立成果转化处，加速实验室成果落地产业。巫永睿透露，目前团队已利用分子标记辅助育种技术，精准改良了80余个国内玉米主栽品种的亲本。同时，实验室还在上海市农委的支持下，加紧挖掘更多玉米谱系的高蛋白基因。 近年来，我国鲜食玉米产业快速发展，种植规模迅速扩大。都市餐桌普遍喜爱的清甜口感是因为其蛋白含量低，但剩在田里的巨量秸秆却因此无法用作青贮饲料。在上海市科委的项目支持下，巫永睿团队与上海农科院合作，培育籽粒蛋白含量低、植株其余部分高蛋白的特殊玉米品种。“我们用基因编辑方法，让玉米带上两个高蛋白玉米基因、一个降低籽实蛋白含量的基因，预计未来两三年内就可完成育种。”
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