鐵(Fe)是人(ren)(ren)體健康必(bi)需的(de)(de)微量(liang)元素。人(ren)(ren)類飲(yin)(yin)食中(zhong)(zhong)經常(chang)發(fa)生(sheng)缺鐵(tie)問(wen)題，并影響(xiang)到大約(yue)20億人(ren)(ren)，特(te)別是以(yi)玉(yu)米為主食的(de)(de)國家地(di)區居民(min)缺鐵(tie)風險更(geng)高(gao)，因(yin)為玉(yu)米胚乳(ru)中(zhong)(zhong)鐵(tie)含量(liang)很低。通(tong)過飲(yin)(yin)用補鐵(tie)劑可以(yi)增加人(ren)(ren)飲(yin)(yin)食中(zhong)(zhong)的(de)(de)鐵(tie)營養(yang)含量(liang)，但經濟性和(he)消(xiao)費者(zhe)接(jie)受(shou)度較低。但通(tong)過基因(yin)工程提高(gao)作物可食用部(bu)分的(de)(de)鐵(tie)含量(liang)，有助于(yu)低成本改善大部(bu)分人(ren)(ren)群的(de)(de)鐵(tie)營養(yang)狀況。通(tong)常(chang)玉(yu)米籽(zi)粒(li)中(zhong)(zhong)的(de)(de)鐵(tie)濃(nong)度與玉(yu)米產(chan)(chan)量(liang)呈負(fu)相(xiang)關，使得開(kai)發(fa)高(gao)產(chan)(chan)富鐵(tie)玉(yu)米新品種受(shou)到限制。此(ci)外(wai)，鐵(tie)是如何轉運到玉(yu)米籽(zi)粒(li)中(zhong)(zhong)的(de)(de)機(ji)制尚不(bu)清楚(chu)，因(yin)此(ci)選擇在不(bu)降低產(chan)(chan)量(liang)前(qian)提下(xia)提高(gao)玉(yu)米籽(zi)粒(li)鐵(tie)濃(nong)度的(de)(de)遺傳(chuan)資源是有必(bi)要(yao)的(de)(de)。
2023年12月8日，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研究團隊在Science發表了題為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節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開發的分子標記，培育出高產且籽粒富鐵的玉米品種。該研究為培育高產與營養協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分析數據，并結合6份籽粒鐵含量差異材料的轉錄組數據，篩選到一個可能調節玉米籽粒鐵含量的候選基因ZmNAC78。研究發現，ZmNAC78在授粉后16 ~ 24天（DAP）優先在胚乳中表達，此時正是玉米籽粒中營養物質快速積累的時期。研究人員發現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。以上結果表明，ZmNAC78對玉米籽粒鐵濃度具有調控作用，且與玉米基因型和生長部位無關。此外研究發現核心啟動子區域的自然變異會影響ZmNAC78的表達水平。為了確定ZmNAC78在現代育種上的應用，研究人員根據核心啟動子區域的變異，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和西南地區進行試驗，發現Hap1品種的平均籽粒鐵含量均高于Hap2品種。這些結果表明，ZmNAC78是在不降低產量的情況下實現玉米鐵生物強化的有利基因資源。研究團隊進一步解析ZmNAC78調控玉米籽粒鐵含量的分子途徑。實驗表明，ZmNAC78在玉米母本營養物質向子代的唯一交換面-籽粒胚乳基底轉移層BETL中高水平表達，ZmNAC78可以直接結合并激活金屬離子轉運蛋白編碼基因ZmHMA8、ZmYSL11和ZmNRAMP3的表達。這三個鐵離子轉運蛋白編碼基因在籽粒發育早期高水平表達且在基底轉移層中表達，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。這些結果表明，ZmNAC78與金屬轉運蛋白在胚乳基底轉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運通路。此研(yan)(yan)究(jiu)揭示了調控鐵轉(zhuan)運到玉(yu)米籽粒(li)(li)的(de)(de)生(sheng)物機制，為其(qi)他(ta)作物營(ying)養物質向籽粒(li)(li)轉(zhuan)移的(de)(de)調節研(yan)(yan)究(jiu)提供了思路(lu)。開發(fa)并應用分子(zi)標記輔助育種，培育出籽粒(li)(li)鐵含量(liang)高(gao)、產量(liang)高(gao)的(de)(de)玉(yu)米品種，為解決鐵等微量(liang)元素缺乏的(de)(de)“隱性饑餓”問題提供了生(sheng)物強化實(shi)現(xian)手段和遺傳資源。Pengshuai Yan, et al. . Science, 382, 1159-1165(2023).
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