鐵(Fe)是人體健康必需的微量元素。人類飲食中經(jīng)常發(fā)生缺鐵問題，并影響到大約20億人，特別是以玉米為主食的國家地區(qū)居民缺鐵風險更高，因為玉米胚乳中鐵含量很低。通過飲用補鐵劑可以增加人飲食中的鐵營養(yǎng)含量，但經(jīng)濟性和消費者接受度較低。但通過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養(yǎng)狀況。通常玉米籽粒中的鐵濃度與玉米產(chǎn)量呈負相關，使得開發(fā)高產(chǎn)富鐵玉米新品種受到限制。此外，鐵是如何轉運到玉米籽粒中的機制尚不清楚，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，中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所作物分子育種技術和應用創(chuàng)新團隊聯(lián)合河南農(nóng)業(yè)大學研究團隊在Science發(fā)表了題為Biofortification of iron content by regulating a NAC transcription factor in maize的研究論文。此研究鑒定了一個調節(jié)玉米籽粒鐵濃度的基因ZmNAC78，首次解析了鐵元素進入玉米籽粒的分子機制。利用ZmNAC78開發(fā)的分子標記，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)與營養(yǎng)協(xié)同的作物品種提供了理論和技術支撐。此研究通過273個玉米自交系的全基因組關聯(lián)分析數(shù)據(jù)，并結合6份籽粒鐵含量差異材料的轉錄組數(shù)據(jù)，篩選到一個可能調節(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，此時正是玉米籽粒中營養(yǎng)物質快速積累的時期。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過表達的轉基因玉米籽粒鐵含量顯著增加最高達到每公斤70.5 mg。以上結果表明，ZmNAC78對玉米籽粒鐵濃度具有調控作用，且與玉米基因型和生長部位無關。此外研究發(fā)現(xiàn)核心啟動子區(qū)域的自然變異會影響ZmNAC78的表達水平。為了確定ZmNAC78在現(xiàn)代育種上的應用，研究人員根據(jù)核心啟動子區(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，且從基因選擇來看在中國和美國玉米品種中，單倍型1等位基因頻率隨著培育時間的推移而增加。研究團隊開發(fā)了一個Indel標記來進行分子標記輔助選擇具有富鐵籽粒的玉米品種，將選育的3個單倍型1品種、2個單倍型2品種和鄭單958作為對照在黃淮海地區(qū)和西南地區(qū)進行試驗，發(fā)現(xiàn)Hap1品種的平均籽粒鐵含量均高于Hap2品種。這些結果表明，ZmNAC78是在不降低產(chǎn)量的情況下實現(xiàn)玉米鐵生物強化的有利基因資源。研究團隊進一步解析ZmNAC78調控玉米籽粒鐵含量的分子途徑。實驗表明，ZmNAC78在玉米母本營養(yǎng)物質向子代的唯一交換面-籽粒胚乳基底轉移層BETL中高水平表達，ZmNAC78可以直接結合并激活金屬離子轉運蛋白編碼基因ZmHMA8、ZmYSL11和ZmNRAMP3的表達。這三個鐵離子轉運蛋白編碼基因在籽粒發(fā)育早期高水平表達且在基底轉移層中表達，與ZmNAC78的時空表達特異性一致，ZmNRAMP3和ZmHMA8的誘變突變體玉米籽粒中的鐵含量顯著降低。這些結果表明，ZmNAC78與金屬轉運蛋白在胚乳基底轉移層中共同組成一個分子開關控制鐵元素進入玉米籽粒中的轉運通路。此研究揭示了調控鐵轉運到玉米籽粒的生物機制，為其他作物營養(yǎng)物質向籽粒轉移的調節(jié)研究提供了思路。開發(fā)并應用分子標記輔助育種，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”問題提供了生物強化實現(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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