2023年12月8日，來自中國農業科學院作物科學研究所李文學等研究人員合作在《科學》雜志發表了標題為“Biofortification of iron content by regulating a NAC transcription factor in maize.?”的研究成果，發現調節玉米中的NAC轉錄因子可實現鐵含量的生物強化。
研究人員表示，鐵（Fe）缺乏癥在發展中國家的人群中仍然普遍存在。為了解決這一問題，育種家們一直在嘗試開發產量高、籽粒鐵含量高的玉米品種。
研究人員利用273份玉米自交系基因型數據結合6份極端材料轉錄組數據，發現了一個調節玉米籽粒中鐵濃度的基因ZmNAC78（NAM/ATF/CUC DOMAIN TRANSCRIPTION FACTOR 78）。研究人員利用在ZmNAC78啟動子中插入或缺失（indel）42個堿基對的分子標記，培育出了高產且籽粒中鐵含量高的玉米品種，ZmNAC78過表達轉基因玉米籽粒鐵含量達到每公斤70.5 mg，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 mg的目標。ZmNAC78在果仁基部胚乳轉移層中富集表達，ZmNAC78蛋白直接調節鐵轉運體信使RNA的豐度。因此，這些研究結果為培育富含鐵元素的玉米品種提供了一種方法。
該研究鑒定到調控鐵進入玉米籽粒的關鍵基因ZmNAC78，首次解析了該基因和金屬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。利用該基因使玉米籽粒中的鐵含量顯著提高到每公斤70.5 mg，比現有生產用玉米籽粒含鐵量超出2倍以上。同時，利用開發的分子標記，培育出籽粒富鐵的玉米新品系。該研究為解決“隱性饑餓”—鐵等微量元素缺乏問題提供了新基因，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。
為探索ZmNAC78在育種上的應用，研究人員將玉米分為籽粒鐵含量高的單倍型1與籽粒鐵含量低的單倍型2，利用ZmNAC78核心啟動子序列多態性開發功能分子標記。為避免土壤酸堿度等環境因素影響，研究人員將選育的3個單倍型1組配在黃淮海地區（河南省新鄉市原陽縣，pH8.5）和西南玉米區（廣西省南寧市，pH6.4）分別試驗，發現其籽粒鐵含量均高于單倍型2組配，平均高出25.82% ~ 33.91%，并且所選育的組配材料也顯著高于國內雜交玉米品種每公斤18.5 mg的籽粒平均鐵含量。尤其是組配1的籽粒鐵含量與產量均高于我國區試對照品種鄭單958，表明ZmNAC78為作為玉米鐵營養關鍵基因且對產量沒有負面影響，為未來培育高產且富鐵的玉米新品種提供了可行方案。
該研究在揭開鐵進入玉米籽粒的生物學路徑的同時，也為解析營養物質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。該研究還開發了富鐵玉米新品種培育的分子標記并率先應用，選育出富鐵的玉米新組合，為解決鐵等微量元素缺乏的“隱性饑餓”問題提供了新材料，為培育高產與優質協同的作物品種提供了理論和技術支撐。
文章來源：
Pengshuai Yan, Qingguo Du, Huan Chen et al, Biofortification of iron content by regulating a NAC transcription factor in maize.? DOI: 10.1126/science.adf3256.
