2023年12月8日，来自中国农业科学院作物科学研究所李文学等研究人员合作在《科学》杂志发表了标题为“Biofortification of iron content by regulating a NAC transcription factor in maize. ”的研究成果，发现调节玉米中的NAC转录因子可实现铁含量的生物强化。
研究人员表示，铁（Fe）缺乏症在发展中国家的人群中仍然普遍存在。为了解决这一问题，育种家们一直在尝试开发产量高、籽粒铁含量高的玉米品种。
研究人员利用273份玉米自交系基因型数据结合6份极端材料转录组数据，发现了一个调节玉米籽粒中铁浓度的基因ZmNAC78（NAM/ATF/CUC DOMAIN TRANSCRIPTION FACTOR 78）。研究人员利用在ZmNAC78启动子中插入或缺失（indel）42个碱基对的分子标记，培育出了高产且籽粒中铁含量高的玉米品种，ZmNAC78过表达转基因玉米籽粒铁含量达到每公斤70.5 mg，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 mg的目标。ZmNAC78在果仁基部胚乳转移层中富集表达，ZmNAC78蛋白直接调节铁转运体信使RNA的丰度。因此，这些研究结果为培育富含铁元素的玉米品种提供了一种方法。
该研究鉴定到调控铁进入玉米籽粒的关键基因ZmNAC78，首次解析了该基因和金属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。利用该基因使玉米籽粒中的铁含量显著提高到每公斤70.5 mg，比现有生产用玉米籽粒含铁量超出2倍以上。同时，利用开发的分子标记，培育出籽粒富铁的玉米新品系。该研究为解决“隐性饥饿”—铁等微量元素缺乏问题提供了新基因，为培育高产与营养协同的作物品种提供了理论和技术支撑。
为探索ZmNAC78在育种上的应用，研究人员将玉米分为籽粒铁含量高的单倍型1与籽粒铁含量低的单倍型2，利用ZmNAC78核心启动子序列多态性开发功能分子标记。为避免土壤酸碱度等环境因素影响，研究人员将选育的3个单倍型1组配在黄淮海地区（河南省新乡市原阳县，pH8.5）和西南玉米区（广西省南宁市，pH6.4）分别试验，发现其籽粒铁含量均高于单倍型2组配，平均高出25.82% ~ 33.91%，并且所选育的组配材料也显著高于国内杂交玉米品种每公斤18.5 mg的籽粒平均铁含量。尤其是组配1的籽粒铁含量与产量均高于我国区试对照品种郑单958，表明ZmNAC78为作为玉米铁营养关键基因且对产量没有负面影响，为未来培育高产且富铁的玉米新品种提供了可行方案。
该研究在揭开铁进入玉米籽粒的生物学路径的同时，也为解析营养物质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。该研究还开发了富铁玉米新品种培育的分子标记并率先应用，选育出富铁的玉米新组合，为解决铁等微量元素缺乏的“隐性饥饿”问题提供了新材料，为培育高产与优质协同的作物品种提供了理论和技术支撑。
文章来源：
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.
