Teosinte等位基因可增强玉米的氮吸收能力和种子蛋白质含量

摘要

在玉米（Zea mays L.）的驯化过程中，种子蛋白质含量显著下降^1,2。在植物中，谷氨酰胺和天冬酰胺的含量与蛋白质含量密切相关^3,4。天冬酰胺是由谷氨酰胺合成的，这一过程由天冬酰胺合成酶（asparagine synthase）催化⁵。野生玉米（teosinte）拥有一个更优的天冬酰胺合成酶4（ASN4）单倍型²。本研究还发现，野生玉米还拥有一个促进谷氨酰胺合成的优势单倍型基因。我们鉴定并克隆了teosinte high protein 3（THP3），该基因编码谷氨酸-草酰乙酸转氨酶1（GOT1），这是一种参与氮同化和碳氮平衡的关键酶。在驯化过程中受到负选择作用的THP3-T等位基因具有自然变异，这些变异增强了其表达量和酶活性。过表达THP3-T（而非现代的THP3-B等位基因）可以显著提高种子蛋白质含量，从而改变碳氮组成。将THP3-T与THP9-T（后者编码天冬酰胺合成酶4（ASN4））进行叠加表达，可以在保持产量的同时显著提升杂交种的种子和整株植物的蛋白质含量。我们的研究结果表明，通过从野生近缘种中重新引入在驯化过程中被淘汰的有益稀有等位基因，可以有效地改良作物。