資料顯示，全球約有20億人處在微量元素缺乏的“隱性饑餓”之中，超過25億人受到缺鐵性貧血的困擾。在中國，貧血患者超過7億人，其中有一半的人為缺鐵性貧血。
為應對微量元素缺乏造成的“隱性饑餓”問題，中國農業科學院作物科學研究所作物分子育種技術和應用創新團隊聯合河南農業大學團隊，鑒定到調控鐵元素進入玉米籽粒的關鍵基因ZmNAC78，并首次解析了該基因和鐵離子轉運蛋白共同組成一個分子開關，控制鐵元素進入玉米籽粒的分子機制。這一研究不僅發現了新基因，也為培育高產且富鐵的玉米新品種提供了理論與技術支持。相關研究成果日前發表在《科學》雜志上，并入選中國農業科學院發布的《2024中國農業科學重大進展》。
“利用該基因，我們讓玉米籽粒中的鐵含量顯著提高到每公斤70.5毫克，超出現有玉米籽粒平均含鐵量2倍。同時，利用開發的分子標記，我們培育出籽粒富鐵的玉米新品系。”論文通訊作者、中國農業科學院作物科學研究所研究員李文學在接受科技日報記者采訪時說。
鐵含量與產量負相關
鐵是人體中含量最高的微量元素，也是人體必需的微量元素，承擔著合成血紅蛋白、肌紅蛋白等功能。它是人體中多種酶的組成部分，也是心、肝、腎等器官正常運轉的關鍵元素。鐵如此重要，但在人類社會中，缺鐵卻是最普遍的問題之一。
“全球大約有三分之一的人受到缺鐵引起的貧血病困擾，我國缺鐵性貧血的發病率為10%。雖然依靠服用補鐵劑等手段可以改善人的鐵營養狀況，但是成本較高且可能帶來副作用。”中國農業科學院副院長曹永生說，如果能將糧食作物的籽粒含鐵量提高，將有助于低成本地改善大范圍人群的鐵營養狀況。
玉米作為全球廣泛種植的重要糧食作物，營養價值豐富，但在鐵元素含量方面卻一直表現平平。一般情況下，每100克玉米中的鐵含量大約在0.3毫克到1.0毫克之間。這個數值與人們熟知的一些高鐵含量食物差距明顯，如每100克黃豆中的鐵含量可達7毫克左右，每100克水稻中的鐵含量大約在1.1毫克。
“玉米籽粒鐵含量一般與產量呈負相關，這極大限制了培育既高產又富鐵的玉米新品種。自2004年國際農業研究磋商組織設立‘生物強化挑戰項目’以來，相關團隊在富鐵水稻研究方面已經取得了較大的進展。”李文學說，但由于玉米籽粒結構不同，鐵等微量元素進入其中需要通過基底胚乳傳遞細胞傳遞，其生物學路徑一直是植物營養領域懸而未決的問題。
鎖定鐵調控關鍵基因
在研究過程中，研究人員利用273份玉米自交系基因型數據，并結合6份極端材料轉錄組數據，成功鎖定一個參與調控玉米籽粒鐵含量的候選基因ZmNAC78。該基因在玉米授粉后16到24天的胚乳中高表達，這也是營養物質在玉米籽粒中快速積累的時期。
“該基因過表達時，玉米籽粒含鐵量可達到每公斤70.5毫克，顯著高于‘生物強化挑戰項目’為玉米設定的玉米籽粒鐵含量每公斤60毫克的目標。”李文學說。
研究人員進一步解析了鐵元素進入玉米籽粒的分子路徑。實驗顯示，該基因在玉米營養物質進入子代的唯一界面——玉米籽粒基底胚乳傳遞細胞中優勢表達，能夠直接激活3個鐵離子轉運蛋白。
實驗證明，3個鐵離子轉運蛋白均在胚乳發育早期高表達，且這3個鐵離子轉運蛋白也在基底胚乳傳遞細胞中表達，與基因ZmNAC78表達時間、空間位置一致。
“基因功能缺失突變體實驗顯示，這些鐵離子轉運蛋白在鐵元素進入玉米籽粒路徑中起到重要作用。在基底胚乳傳遞細胞中，基因ZmNAC78和鐵離子轉運蛋白共同組成一個分子開關控制鐵元素進入玉米籽粒的轉運通路。”李文學說。
這一系列發現，為培育富鐵玉米奠定了堅實的理論基礎。
一個關鍵基因的發現，意味著未來可能有更多富鐵玉米的出現。“這是‘從0到1’的進步。”李文學說。該研究在揭開鐵進入玉米籽粒的生物學路徑的同時，也為解析微量元素如何進入小麥等具有傳遞細胞的禾谷類作物提供了新思路。
促進全球人口營養提升
為探索基因ZmNAC78在現代育種上的應用，研究人員利用該基因開發的分子標記輔助選擇籽粒鐵含量不同的玉米品種，并將選育出的玉米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。此后，研究團隊將選育的3個單倍型1品種、2個單倍型2品種和對照品種鄭單958在黃淮海地區和西南地區進行試驗種植。
試驗發現，基因ZmNAC78是在不降低產量的情況下增強玉米鐵元素的有利基因資源。此外，研究發現選育的3個單倍型1品種的籽粒鐵含量比單倍型2品種平均高出25.82%—33.91%，并且所選育的品種籽粒含鐵量都顯著高于國內雜交玉米品種每公斤18.5毫克的籽粒平均鐵含量。
“這是一項重大科學前沿工作，同時又非常有實際用處。不光能解決中國的民生問題，也能解決世界性民生問題。”著名生物學家、美國國家科學院院士鄧興旺說。
華南農業大學教授儲成才表示，在我國，作物對鐵的吸收受土壤酸堿度的影響很大，而這個新成果，在偏堿性的土地上仍能有效提高作物鐵含量，將來有望應用于國內鹽堿地等邊際土地。同時，新成果應用于非洲等土壤貧瘠地區，增加玉米甚至是其他禾本科植物的鐵含量，對中國乃至全球人口營養補充都有非常重要的意義。
對于發展中國家，尤其是那些以玉米為主食且面臨營養匱乏問題的地區而言，富鐵玉米的推廣種植將是改善民眾營養狀況的一劑良方。通過日常飲食增加鐵元素的攝入，能夠有效預防和緩解缺鐵性貧血等疾病，提高民眾的身體素質，尤其是對兒童的身體和心智發育有著不可估量的積極作用。
“我國農業科研工作者，既要解決重大科學問題，也要解決重大產業問題。產量雖是首要問題，但營養、品質、抗性、養分高效利用等農業可持續發展要素同樣不可忽視，這都是利用基因育種的研究方向。”中國工程院院士萬建民表示，此項成果或可有效解決產業需求，意義重大。
責任編輯：陸迪
