野生玉米基因让玉米更高效吸收氮肥、提高籽粒蛋白质含量

在玉米（Zea mays L.）从野生祖先大刍草驯化为栽培玉米的过程中，籽粒蛋白质含量显著降低。植物体内谷氨酰胺和天冬酰胺的含量与总蛋白水平密切相关，而天冬酰胺正是由谷氨酰胺转化而来，该反应由天冬酰胺合成酶催化。此前研究已发现大刍草拥有更优的天冬酰胺合成酶4（ASN4）基因——即THP9-T等位基因。本研究进一步发现，大刍草还携带一个能促进谷氨酰胺合成的优质基因：teosinte high protein 3（THP3）。研究人员成功克隆了THP3，确认其编码谷氨酸-草酰乙酸转氨酶1（GOT1），这是氮素同化及碳氮平衡调控中的关键酶。在驯化过程中，这一优质等位基因THP3-T因受到负向选择而几乎丢失；但其天然存在的变异可同时增强基因表达量和酶活性。实验表明，过量表达THP3-T（而非现代栽培种中的THP3-B等位基因），能显著提高籽粒蛋白质含量，并改变籽粒中碳氮比例。更关键的是，将THP3-T与THP9-T（编码ASN4）两个优质等位基因聚合到优良杂交种中，可产生协同增效作用：不仅大幅提升籽粒蛋白质含量，还能同步提高整株植株的蛋白质积累，且不牺牲产量。这说明，从野生近缘种中重新引入驯化过程中被意外淘汰的稀有优良等位基因，是一种高效、可行的作物营养品质改良策略。