基因到營(yíng)養(yǎng)：TPP代謝解鎖高產(chǎn)高蛋白玉米新路徑

當(dāng)前，全球氣候變化、極端天氣頻發(fā)以及人口持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)全球糧食安全構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在有限的耕地上實(shí)現(xiàn)更高的作物產(chǎn)量和更高的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，已成為全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟需解決的核心問(wèn)題。作物中“高產(chǎn)”與“高蛋白”往往存在此消彼長(zhǎng)的矛盾，如何同時(shí)兼顧兩者，是現(xiàn)代育種長(zhǎng)期面臨的科學(xué)難題。玉米作為世界范圍內(nèi)最重要的糧食與飼料作物，其產(chǎn)量和籽粒蛋白含量的同步提升對(duì)保障全球糧食與營(yíng)養(yǎng)安全具有戰(zhàn)略意義。

近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)嚴(yán)建兵教授團(tuán)隊(duì)在Nature Communications上發(fā)表了題為Optimizing thiamine pyrophosphate metabolism enhances crop yield and quality的研究論文。該研究鑒定并功能解析了一個(gè)能夠同步提升玉米產(chǎn)量與蛋白質(zhì)含量的核心基因，為“高產(chǎn)高蛋白”玉米培育提供了重要靶標(biāo)基因。該成果不僅突破了作物產(chǎn)量和品質(zhì)難以兼得的傳統(tǒng)瓶頸，也為代謝工程提供了新的解決方案。

揭示玉米穗長(zhǎng)遺傳基礎(chǔ)：主效QTL-qKB6.2a 的克隆與關(guān)鍵自然變異解析

前期課題組利用玉米短果穗自交系KUI3與長(zhǎng)果穗自交系B77構(gòu)建的RIL群體，在玉米第6染色體上定位到主效穗長(zhǎng)QTL- qKB6.2a，并通過(guò)多年多點(diǎn)的精細(xì)定位，最終確定編碼硫胺素焦磷酸激酶的ZmTPK2為目標(biāo)基因。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，ZmTPK2啟動(dòng)子與其上游41.8 kb的遠(yuǎn)端順式調(diào)控元件（cis-regulatory element, CRE）存在遠(yuǎn)端互作，且二者染色質(zhì)狀態(tài)均處于開(kāi)放狀態(tài)。進(jìn)一步測(cè)序發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)區(qū)及CRE區(qū)存在SNP和Indel變異。雙熒光素酶實(shí)驗(yàn)表明，不同來(lái)源的啟動(dòng)子與CRE對(duì)顯著影響ZmTPK2表達(dá)，其中KUI3來(lái)源的CRE對(duì)其自身啟動(dòng)子具有增強(qiáng)作用。點(diǎn)突驗(yàn)證進(jìn)一步確認(rèn)啟動(dòng)子區(qū)的兩個(gè)關(guān)鍵SNP（-362 C / T、-480 A / G）以及CRE中的一個(gè)插入突變（AAAAT）和一個(gè)SNP（T / C）均可顯著提升啟動(dòng)子活性。綜上，啟動(dòng)子與CRE的變異協(xié)同決定了ZmTPK2的表達(dá)差異，是qKB6.2a穗長(zhǎng)變異的原因，該結(jié)果為解析玉米穗長(zhǎng)形成機(jī)制及挖掘優(yōu)良自然等位基因提供了重要依據(jù)。

圖1 玉米穗長(zhǎng)主效 QTL，qKB6.2a的克隆

ZmTPK2如何塑造高產(chǎn)高蛋白玉米：基因功能與調(diào)控機(jī)制全解析

ZmTPK2具有顯著的表達(dá)劑量效應(yīng)：敲除或過(guò)量表達(dá)均導(dǎo)致產(chǎn)量下降，而適度表達(dá)可顯著提升穗長(zhǎng)、行粒數(shù)和穗重。在自然群體中，來(lái)源于B77的Hap1單倍型具有適中表達(dá)水平和明顯產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，進(jìn)一步說(shuō)明ZmTPK2的精細(xì)表達(dá)調(diào)控對(duì)玉米穗長(zhǎng)和產(chǎn)量形成至關(guān)重要。ZmTPK2蛋白定位于細(xì)胞質(zhì)，具有典型的TPK酶活性，可催化硫胺素生成TPP。ZmTPK2表達(dá)水平直接影響TPP含量及核心代謝通路活性：適度表達(dá)的材料表現(xiàn)為 TPP含量升高、三羧酸循環(huán)與卡爾文循環(huán)增強(qiáng)；而敲除及過(guò)量表達(dá)材料則表現(xiàn)TPP含量下降，代謝紊亂。外源噴施0.04%TPP溶液可完全恢復(fù)突變體的短穗表型，進(jìn)一步驗(yàn)證了其調(diào)控關(guān)系。代謝組與營(yíng)養(yǎng)成分分析表明，適度表達(dá)的ZmTPK2可提升蛋白質(zhì)含量1.1個(gè)百分點(diǎn)，同時(shí)保持淀粉水平穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)“高產(chǎn)高蛋白”的協(xié)同改良?；谏鲜鼋Y(jié)果，構(gòu)建了“ZmTPK2–TPP–能量代謝–穗長(zhǎng)與蛋白積累”的調(diào)控模型，為玉米高產(chǎn)高蛋白分子育種提供了理論支撐。

從基因到田間的雙路徑增產(chǎn)策略：ZmTPK2自然變異與外源TPP的協(xié)同應(yīng)用

ZmTPK2在自然群體中蘊(yùn)含關(guān)鍵的優(yōu)良變異，但極其稀有，目前僅在自交系B77中檢測(cè)到。分別利用qKB6.2aKUI3和qKB6.2aB77與商業(yè)骨干自交系分別構(gòu)建雜交組合F1, 結(jié)果顯示，攜帶qKB6.2aB77 等位基因的F1雜交種穗長(zhǎng)增加 4.3%–8.7%、產(chǎn)量提升7.4%–14.2%，且不影響其它農(nóng)藝性狀，暗示ZmTPK2優(yōu)良等位基因在雜交育種中具有潛在的育種價(jià)值。同時(shí)，我們?cè)谟衩?、水稻和油菜等作物上開(kāi)展外源TPP噴施試驗(yàn)，也獲得了穩(wěn)定的增產(chǎn)效果，在不同作物中增產(chǎn) 4.5%–9.8%。以上結(jié)果表明，從“利用ZmTPK2優(yōu)良自然變異”到“田間施用外源TPP”，TPP代謝路徑為主要作物提供了一條兼具遺傳改良與田間管理的創(chuàng)新增產(chǎn)新方案，具有廣闊的推廣價(jià)值與應(yīng)用前景。

圖2外施TPP顯著增加玉米、水稻和油菜產(chǎn)量

該研究由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)兩位畢業(yè)博士生羅蕓（現(xiàn)為康奈爾大學(xué)博士后）和劉喻（現(xiàn)為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后）共同完成，嚴(yán)建兵教授為通訊作者。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、湖北省自然科學(xué)基金以及 111 計(jì)劃“作物基因組學(xué)與分子育種創(chuàng)新引智基地”的資助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-66882-7