玉米是世界主要粮食作物之一，产量居世界粮食作物之首，除了用作人类的食物外，玉米还可以用作动物饲料或工业制造的原料。其籽粒富含淀粉、脂肪、蛋白质等能量物质，此外还含有多种对人体健康有益的微量元素，如维生素、矿物质及次生代谢物等。随着人类生活水平的提高，人们的需求逐渐从产量提高转向营养品质改良。与传统育种方法相比，分子育种大大缩短了育种过程，包括基于CRISPR-Cas9的基因编辑技术越来越受到人们的关注。
2022年2月25日，北京科技大学生物与农业研究中心、北京中智生物农业国际研究院等单位研究人员应邀在Plants杂志发表题为Mining of potential gene resources for breeding nutritionally improved maize（玉米营养品质改良育种潜在基因资源挖掘）的综述论文。本文系统总结了来自不同植物的107个营养成分相关基因，并从玉米基因组中鉴定出246个同源基因。结合这些基因的表达谱及其在玉米营养改良中的潜在作用，通过编辑或异位表达等生物技术手段，有望提高玉米籽粒中特定营养物质含量，为玉米营养品质改良提供了潜在的基因资源。
玉米籽粒富含多种营养物质，除淀粉、油脂和蛋白质三大营养物质外，并富含维生素、矿物质、玉米黄素、花青素等微量物质。果皮含有纤维和矿物质;糊粉层含有丰富的矿物质和抗氧化物;胚乳含有淀粉、蛋白质、维生素和抗氧化剂;胚芽含有脂质、矿物质和一些维生素。了解各种营养物质的分布有助于应用适当的生物技术手段目的性地改良玉米籽粒中的营养成份。
图1 玉米籽粒的结构与营养物质分布
不同植物物种之间的同源基因很可能具有相似的功能，在水稻和拟南芥等模式植物中，已报道许多基因控制特定的性状，然而在玉米中的同源基因尚未被鉴定或研究。针对提高玉米籽粒抗性淀粉、油脂、必需氨基酸、维生素、铁、锌等矿物质以及花青素等功能性成分含量的问题，系统总结了拟南芥、水稻、大豆、马铃薯、番茄等不同植物中已报道的与上述营养成分相关的基因，从玉米基因组中鉴定出同源基因，并分析了这些基因在染色体上的定位。利用现有的RNA_seq数据，分析了246个玉米品质改良相关的基因在玉米早期种子、成熟籽粒和其他组织中的表达模式，为通过生物技术手段改良玉米籽粒中特定营养物质含量提供了重要参考。
图2 植物中维生素合成和代谢途径图
图3 提高玉米脂质含量潜在基因资源的表达图谱
随着人们生活水平的提高，人们对饮食更加重视营养和健康，培育或创制营养丰富的高产作物品种已成为育种家主要育种目标之一，这项工作为玉米营养品质改良育种提供了潜在基因资源，结合转录组、蛋白质组和代谢组数据分析，解析基因调控和代谢网络之间的关系，将有助于基因功能验证并最终通过生物技术手段实现玉米营养品质改良育种。
本研究主要依托北京科技大学生物与农业研究中心、北京中智生物农业国际研究院、北京科技大学顺德研究生院等单位完成，青年教师侯全璨和其指导的硕士研究生张天野为该论文共同第一作者，龙艳教授和魏珣副教授等为通讯作者。同时，科技部中国农村技术开发中心孙康泰研究员也参与了该工作。该研究得到国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费和北京市科技新星项目联合资助。
