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(zhuǎn)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(diào)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(jié)合6份籽粒鐵含量差異材料的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，篩選到一個可能調(diào)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(zhì)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(zhuǎn)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(jié)果表明，ZmNAC78對玉米籽粒鐵濃度具有調(diào)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(jié)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。ZmNAC78激活鐵離子轉(zhuǎn)運基因的表達研究團隊進一步解析ZmNAC78調(diào)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(zhì)向子代的唯一交換面-籽粒胚乳基底轉(zhuǎn)移層BETL中高水平表達，ZmNAC78可以直接結(jié)合并激活金屬離子轉(zhuǎn)運蛋白編碼基因ZmHMA8、ZmYSL11和ZmNRAMP3的表達。這三個鐵離子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)果表明，ZmNAC78與金屬轉(zhuǎn)運蛋白在胚乳基底轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運通路。此研究揭示了調(diào)控鐵轉(zhuǎn)運到玉米籽粒的生物機制，為其他作物營養(yǎng)物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移的調(diào)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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