首次揭示玉米与氮素高效利用和高蛋白积累相关的重要亚细胞结构及其功能，为培育氮高效作物提供一条全新思路，实现减少氮肥施用量，使农作物依然保持高产稳产的目标

　　从野生玉米中成功克隆出高蛋白基因THP3-T，实现我国玉米主栽品种蛋白含量的显著提升，有望减少畜禽饲料产业的豆粕用量，为降低我国大豆进口依存度提供支持

　　6月3日，国际学术期刊《自然》（Nature）同期上线两篇我国科学家关于玉米氮素利用与高蛋白玉米的研究成果——《质体小球区室化调控玉米氮素利用效率的机制》和《野生玉米优异基因有效提高玉米氮同化和籽粒蛋白含量》。

　　两项突破分别从“让玉米少施肥、产量高”和“让玉米蛋白含量更高”两个角度，为玉米育种和农业绿色可持续发展提供了核心基因资源与理论基础。这两篇同日登上《自然》的成果，都与四川农业大学教授黄永财及一支“90后”团队密切相关。

为培育氮高效作物提供全新思路

　　植物体内有一套将无机氮转化为有机氮（氨基酸和蛋白质）的核心酶体系，但这些酶在叶绿体内部的具体“工作位置”和“协作方式”，一直未被破解。四川农业大学西南作物基因资源发掘与利用国家重点实验室黄永财团队与中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿团队合作，从玉米叶片叶绿体中的一个微小结构——质体小球入手，找到了答案。

　　研究人员首次揭示玉米与氮素高效利用和高蛋白积累相关的重要亚细胞结构及其功能。他们观察到一种现象，当氮素充足时，叶肉细胞叶绿体内的质体小球数会显著增多——这个以往被认为只参与脂质代谢的结构，竟是一个动态的“氮代谢枢纽”。紧扣这一发现，研究人员首次鉴定到两个定位在质体小球表面的氮同化关键酶——亚硝酸还原酶（ZmNIR2）和谷氨酰胺合成酶（ZmGLN1）。

　　研究证实，这两个酶能携手组成一个“代谢体”，就像在植物细胞内搭建一条微型蛋白质原料生产流水线。这条流水线不仅让“原材料”在局部浓度增加，还能大大加快其传递速度，提高氮素同化的反应效率。而质体小球，则充当了这条流水线的固定工作台。

　　值得关注的是，该机制在碳三和碳四植物中普遍存在，意味着水稻、小麦、大豆、高粱等许多重要作物中可能也有类似调控逻辑。这为培育氮高效作物提供一条全新思路——可通过筛选并精准设计这两个关键酶在这一区室中，实现减少氮肥施用量，使农作物依然保持高产稳产的目标。

　　该研究从亚细胞器层面揭示氮素高效利用的机制，未来通过对这一“氮代谢枢纽”进一步挖掘与利用，有望在保障粮食安全的同时，大幅降低农业生产对化肥的依赖。

为玉米“找回”丢失的高蛋白基因

　　同日发表于《自然》的另一项成果，则聚焦另一个现实难题：我国玉米籽粒蛋白含量普遍偏低（在8%左右），国内饲料蛋白高度依赖进口豆粕。据测算，若我国饲用玉米蛋白含量提升4个百分点达到12%以上，所增蛋白总量相当于3000多万吨进口大豆。培育高蛋白玉米替代豆粕，是缓解饲料蛋白短缺的重要途径。

　　此次研究团队从野生玉米祖先——大刍草（蛋白含量高达30%）入手，成功克隆第二个玉米高蛋白主效基因THP3-T。该基因编码谷氨酸-草酰乙酸转氨酶1，是氮代谢核心酶，其卓越的酶活性显著增强氮同化能力。可惜这一优异基因在玉米驯化过程中流失，在现代玉米中极为稀有。

　　多年田间试验证实，该基因在不影响产量的前提下，可将自交系籽粒蛋白含量从10%提升至13%以上。将它与此前发现的第一个高蛋白基因THP9-T聚合后，产生显著协同增效：导入目前我国推广面积最大的杂交玉米品种后，籽粒蛋白含量从8.5%提升到12%—13%，全株蛋白含量从7%提升至9%以上，且产量保持稳定。

　　目前，研究人员已利用这两个优异基因，成功改良80余个国内玉米主栽品种亲本，改良后亲本蛋白含量可达14%以上。

幕后揭秘