用基因“钥匙”开启玉米铁含量之“门”

◎本报记者 马爱平

资料显示，全球约有20亿人处在微量元素缺乏的“隐性饥饿”之中，超过25亿人受到缺铁性贫血的困扰。在中国，贫血患者超过7亿人，其中有一半的人为缺铁性贫血。

为应对微量元素缺乏造成的“隐性饥饿”问题，中国农业科学院作物科学研究所作物分子育种技术和应用创新团队联合河南农业大学团队，鉴定到调控铁元素进入玉米籽粒的关键基因ZmNAC78，并首次解析了该基因和铁离子转运蛋白共同组成一个分子开关，控制铁元素进入玉米籽粒的分子机制。这一研究不仅发现了新基因，也为培育高产且富铁的玉米新品种提供了理论与技术支持。相关研究成果日前发表在《科学》杂志上，并入选中国农业科学院发布的《2024中国农业科学重大进展》。

“利用该基因，我们让玉米籽粒中的铁含量显著提高到每公斤70.5毫克，超出现有玉米籽粒平均含铁量2倍。同时，利用开发的分子标记，我们培育出籽粒富铁的玉米新品系。”论文通讯作者、中国农业科学院作物科学研究所研究员李文学在接受科技日报记者采访时说。

铁含量与产量负相关

铁是人体中含量最高的微量元素，也是人体必需的微量元素，承担着合成血红蛋白、肌红蛋白等功能。它是人体中多种酶的组成部分，也是心、肝、肾等器官正常运转的关键元素。铁如此重要，但在人类社会中，缺铁却是最普遍的问题之一。

“全球大约有三分之一的人受到缺铁引起的贫血病困扰，我国缺铁性贫血的发病率为10%。虽然依靠服用补铁剂等手段可以改善人的铁营养状况，但是成本较高且可能带来副作用。”中国农业科学院副院长曹永生说，如果能将粮食作物的籽粒含铁量提高，将有助于低成本地改善大范围人群的铁营养状况。

玉米作为全球广泛种植的重要粮食作物，营养价值丰富，但在铁元素含量方面却一直表现平平。一般情况下，每100克玉米中的铁含量大约在0.3毫克到1.0毫克之间。这个数值与人们熟知的一些高铁含量食物差距明显，如每100克黄豆中的铁含量可达7毫克左右，每100克水稻中的铁含量大约在1.1毫克。

“玉米籽粒铁含量一般与产量呈负相关，这极大限制了培育既高产又富铁的玉米新品种。自2004年国际农业研究磋商组织设立‘生物强化挑战项目’以来，相关团队在富铁水稻研究方面已经取得了较大的进展。”李文学说，但由于玉米籽粒结构不同，铁等微量元素进入其中需要通过基底胚乳传递细胞传递，其生物学路径一直是植物营养领域悬而未决的问题。

锁定铁调控关键基因

在研究过程中，研究人员利用273份玉米自交系基因型数据，并结合6份极端材料转录组数据，成功锁定一个参与调控玉米籽粒铁含量的候选基因ZmNAC78。该基因在玉米授粉后16到24天的胚乳中高表达，这也是营养物质在玉米籽粒中快速积累的时期。

“该基因过表达时，玉米籽粒含铁量可达到每公斤70.5毫克，显著高于‘生物强化挑战项目’为玉米设定的玉米籽粒铁含量每公斤60毫克的目标。”李文学说。

研究人员进一步解析了铁元素进入玉米籽粒的分子路径。实验显示，该基因在玉米营养物质进入子代的唯一界面——玉米籽粒基底胚乳传递细胞中优势表达，能够直接激活3个铁离子转运蛋白。

实验证明，3个铁离子转运蛋白均在胚乳发育早期高表达，且这3个铁离子转运蛋白也在基底胚乳传递细胞中表达，与基因ZmNAC78表达时间、空间位置一致。

“基因功能缺失突变体实验显示，这些铁离子转运蛋白在铁元素进入玉米籽粒路径中起到重要作用。在基底胚乳传递细胞中，基因ZmNAC78和铁离子转运蛋白共同组成一个分子开关控制铁元素进入玉米籽粒的转运通路。”李文学说。

这一系列发现，为培育富铁玉米奠定了坚实的理论基础。

一个关键基因的发现，意味着未来可能有更多富铁玉米的出现。“这是‘从0到1’的进步。”李文学说。该研究在揭开铁进入玉米籽粒的生物学路径的同时，也为解析微量元素如何进入小麦等具有传递细胞的禾谷类作物提供了新思路。

促进全球人口营养提升

为探索基因ZmNAC78在现代育种上的应用，研究人员利用该基因开发的分子标记辅助选择籽粒铁含量不同的玉米品种，并将选育出的玉米自交系分为籽粒铁含量高的单倍型1和籽粒铁含量低的单倍型2。此后，研究团队将选育的3个单倍型1品种、2个单倍型2品种和对照品种郑单958在黄淮海地区和西南地区进行试验种植。

试验发现，基因ZmNAC78是在不降低产量的情况下增强玉米铁元素的有利基因资源。此外，研究发现选育的3个单倍型1品种的籽粒铁含量比单倍型2品种平均高出25.82%—33.91%，并且所选育的品种籽粒含铁量都显著高于国内杂交玉米品种每公斤18.5毫克的籽粒平均铁含量。

“这是一项重大科学前沿工作，同时又非常有实际用处。不光能解决中国的民生问题，也能解决世界性民生问题。”著名生物学家、美国国家科学院院士邓兴旺说。

华南农业大学教授储成才表示，在我国，作物对铁的吸收受土壤酸碱度的影响很大，而这个新成果，在偏碱性的土地上仍能有效提高作物铁含量，将来有望应用于国内盐碱地等边际土地。同时，新成果应用于非洲等土壤贫瘠地区，增加玉米甚至是其他禾本科植物的铁含量，对中国乃至全球人口营养补充都有非常重要的意义。

对于发展中国家，尤其是那些以玉米为主食且面临营养匮乏问题的地区而言，富铁玉米的推广种植将是改善民众营养状况的一剂良方。通过日常饮食增加铁元素的摄入，能够有效预防和缓解缺铁性贫血等疾病，提高民众的身体素质，尤其是对儿童的身体和心智发育有着不可估量的积极作用。

“我国农业科研工作者，既要解决重大科学问题，也要解决重大产业问题。产量虽是首要问题，但营养、品质、抗性、养分高效利用等农业可持续发展要素同样不可忽视，这都是利用基因育种的研究方向。”中国工程院院士万建民表示，此项成果或可有效解决产业需求，意义重大。