华人学者PNAS发表“孤儿基因”研究成果,可提升农作物蛋白质含量

编者按：农作物是人类主要的蛋白质来源，该如何提升农作物蛋白质含量呢？这里为您介绍一种非常有前景的方法。

美国爱荷华州立大学（Iowa State University）华人学者李灵教授与她的同事发现了一个仅在拟南芥中表达的“孤儿基因”，对于常见农作物的蛋白质含量提升有着明显促进作用，具有极大的产业应用前景。这一研究成果发表在PNAS上。

李灵教授与她的同事Eve Syrkin Wurtele教授在相关领域合作多年，于2004年从拟南芥中发现了这个命名为QQS的“孤儿基因”——一个没有在任何已知的其它物种中表达的基因。过去十几年的研究中，她们在多个期刊（Plant Journal, Plant Biotechnology Journal, Trends in Plant Science）中发表了多篇关于QQS的研究，并申请了多项专利。

她们以常见农作物为研究对象，分析这个关键基因对不同作物蛋白质含量的影响。农作物的蛋白质含量是一项关乎国民营养水平的关键指标，在那些粮食不足或营养缺乏的发展中国家，能否在日常饮食中摄取足量的蛋白质甚至关乎生存。

“我们的研究表明，当这个关键基因被转入玉米、水稻和大豆等作物后，它们的蛋白质含量均有明显提高，并且作物生长和产量不受任何影响。”李灵教授说。

QQS在拟南芥中调控种子和叶片的蛋白质含量。研究初期李灵教授和Wurtele教授希望用转基因技术将其转入别的植物中，从而研究一个重要的问题：QQS是否能够提升常见作物物种中的蛋白质含量？

本周发表于PNAS的这篇文章证实了这一想法。QQS被转入玉米、水稻和大豆之后，仍然通过类似机制行使自己的功能，促进蛋白质含量的提高。这项研究将有助于解决某些国家地区长期存在的高蛋白质粮食短缺难题。蛋白质缺乏将直接影响青少年的生长和大脑发育，且使他们变得易感病，未来经过改良的高蛋白质作物也许能够行之有效地解决这一基本问题。

“农作物是人类主要的蛋白质来源，”李灵教授说，“动物来源的蛋白质摄取会消耗更多的水、能源和其它资源，因此植物来源的高蛋白质饮食更加符合可持续性发展原则。”

然而，要真正将这样的转基因作物投入实际生产将需多年，耗费难以想像的人力、物力，需进行安全性论证。Wurtele教授因此提到，进行深入研究以寻找非转基因的替代手段是相当有必要的。

而一个称为NF-YC4的转录因子或许就是这一替代方法的关键。NF-YC4是QQS的结合蛋白，是一个广泛存在于动植物中的转录因子，目前已经有不同于转基因的方法可以对NF-YC4进行改造。通过在农作物中过量表达NF-YC4，人们能够以非转基因手段来提高农作物的蛋白质表达，使未来的产业化过程能够节省大量的人力、物力和财力。

两位学者认为，人类对于“孤儿基因”的功能机制了解得很粗浅，这背后所蕴含的价值仍不够清楚，希望未来能够有更多学者进入这一研究领域，“领养”它们，将“孤儿基因”的潜力得以体现。Wurtele教授说，“我们现在只了解到一个孤儿基因的应用前景，潜力就已经如此巨大，相信未来会有更多其它孤儿基因被发现和深入研究。”

李灵：

李灵是爱荷华州立大学兼职助理教授、武汉未来组科学顾问。研究领域为遗传学、发育与细胞生物学。她建立了一套实验与生物信息分析相结合的系统生物学研究手段，通过多组学分析方法，对植物的代谢机制及相关的分子调控网络进行研究，从而发现基因新的功能，以期对农业产业化应用，及仍存在食物蛋白摄取不足的发展中国家有所帮助。

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1.http://www.sciencedaily.com/releases/2015/11/151113120253.htm?from=groupmessage&isappinstalled=0

2. http://www.news.iastate.edu/news/2015/11/13/orphangene

3. L. Li, W. Zheng, Y.Zhu, H. Ye, B. Tang, Z. W. Arendsee, D. Jones, R. Li, D. Ortiz, X. Zhao, C. Du,D. Nettleton, M. P. Scott, M. G. Salas-Fernandez, Y. Yin, E. S. Wurtele. QQSorphan gene regulates carbon and nitrogen partitioning across species via NF-YCinteractions. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015; DOI:10.1073/pnas.1514670112

来源：武汉未来组投稿

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