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玉米是全球重要的粮食作物，早在9000年前，美洲的人类祖先就开始驯化玉米，他们将一种如同杂草的野生玉米“大刍草”（teosinte）逐步改造为可以食用的作物。在驯化过程中，玉米的淀粉含量和产量不断提高，这使得它们成为当今用量***大的饲料之一。但与此同时，这个驯化过程也牺牲了玉米的某些优良性质。
令人意外的是，玉米祖先种子的蛋白质含量远远超过现代玉米。中国科学院分子植物科学***创新中心巫永睿团队与上海师范大学王文琴团队通过检测发现，大刍草的蛋白质含量为20%~30%，相比之下现代杂交玉米仅含5%~10%的蛋白质。
▲玉米祖先（左）与现代玉米品种（右）
为了恢复玉米高蛋白的特性，研究团队需要明确玉米祖先高蛋白的遗传机制，并找到控制玉米蛋白含量的关键基因。在一项发表于《自然》杂志的***新研究中，巫永睿/王文琴团队取得了重要突破：他们找到了控制玉米高蛋白和氮素***利用的关键基因——Teosinte High Protein 9（THP9），对于提升玉米的蛋白质含量、氮利用效率及粮食安全都有着重要意义。
在这项研究中，研究团队首先测定了大刍草的完整基因组序列。通过将大刍草与现代玉米杂交并分析其后代，研究团队能够确定数量性状位点（QTL，即多个基因共同决定一个性状），或是与关键性状相关的特定染色体区域。
研究团队将注意力放在大刍草9号染色体上的一个高蛋白QTL上。大刍草的THP9不仅是控制高蛋白含量的主效基因，还编码了天冬酰胺合成酶4（ASN4），这种酶在氮代谢中起到重要作用。先前对水稻、小麦和大麦的研究表明，这些基因表达的变化会影响植物生长和氮含量。
研究人员指出，大刍草的优良基因THP9-teosinte（THP9-T）高表达，但一些玉米自交系中含有的是Thp9的其他突变形式，导致ASN4的表达量偏低。而将等位基因Thp9-T导入玉米自交系后，种子的蛋白质含量及植株的氮含量都显著增加。
▲野生玉米THP9提高玉米蛋白含量和氮素***利用效率
在田野实验中，Thp9-T的引入使得现有玉米品种的蛋白质含量显著提高，并且在减少氮肥的情况下，保持了植株氮含量的稳定，使得植株能够更***地利用氮元素。基于这项突破，未来有望开发出蛋白质含量更高，并且能减少化肥施用、更加环境友好的玉米品种。
