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华中农大发现玉米"绿色"基因ZmAVT1A-1:低氮条件下同步实现高产、高蛋白华中农大发现玉米"绿色"基因ZmAVT1A-1:低氮条件下同步实现高产、高蛋白

2026-07-02 17:111590

玉米是我国种植面积最大、产量最高的农作物,也是饲料的绝对主力。可遗憾的是,国内杂交种玉米籽粒蛋白含量普遍只有8%左右,无法满足畜禽养殖业对饲料蛋白的需求。蛋白缺口怎么办?只能靠进口大豆来补,我国大豆进口量常年在1亿吨左右,对外依存度超过80%。算笔账:玉米蛋白含量增加1个百分点,就相当于多出800万吨大豆蛋白。


让玉米既当″能量源″,又当″蛋白罐″,实现一物两用的梦想,华中农业大学严建兵教授团队追了多年。6月29日,国际学术期刊《自然-遗传学》(Nature Genetics)在线发表了他们与合作者的研究成果。这项题为″Multi-omics analysis of primary metabolism reveals the genetic basis of nitrogen partitioning modulated by ZmAVT1A-1 in maize″的研究,利用多组学技术,借助前期发展的CUBIC群体系统,找到了一条能同时撬动高产、高蛋白、少施氮肥的″绿色″基因。


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鉴定到″鱼和熊掌可以兼得″的关键基因ZmAVT1A-1


研究团队对人工构建的1404份玉米多样性群体进行代谢组检测,既看叶片,也盯籽粒,像抽血化验一样,鉴定出86种关键代谢物(包括氨基酸、有机酸、糖类等),再结合基因组、转录组、代谢组数据,绘制出一张从遗传位点到代谢物变异的″调控路线图″。


这张图揭示了一个意外:叶片和籽粒的初级代谢调控路线中,只有6.9%的路线是共用的,绝大多数路线是各走各的,说明营养器官和籽粒对代谢物的调控,完全是两套系统。而全基因组有16个热点区域,集中控制着碳氮循环的核心路径。


顺着这张图,团队验证了几个已知基因后,意外收获了″宝藏″——位于玉米5号染色体上负责编码氨基酸转运蛋白的基因 ZmAVT1A-1。它编码一种定位在细胞″储料罐″(液泡)膜上的氨基酸转运蛋白。如果把液泡比作细胞的″氨基酸仓库″,那么ZmAVT1A-1就是仓库出口的那个″调度阀″,负责把储存的氨基酸释放到细胞质,再通过韧皮部精准″配送″到发育中的籽粒,变成储藏蛋白。


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图1. ZmAVT1A-1在高低氮处理下的田间植株表现和籽粒产量


团队做了两套对比实验:敲除这个基因后,低氮条件下玉米叶片提前衰老发黄,相对叶绿素下降,单株产量也降低了;而过表达该基因后,植株持绿性增强,最终单株产量和籽粒蛋白含量双双提高。


″高产和高蛋白,通常是‘鱼和熊掌’,但这个‘调度阀’却能把氮素从茎秆等营养器官更高效地输送进籽粒,让玉米既增产又增蛋白,实现‘鱼和熊掌可以兼得’。″严建兵说。


既要又要还要,ZmAVT1A-1实现″一石三鸟″


氮是蛋白质的原料,长期以来,农业生产领域通过施用大量氮肥提高玉米蛋白含量。在绿色农业和″双碳″目标的背景下,减少氮肥投入已成为农业可持续发展的迫切要求。如果能够在提高玉米蛋白含量的同时降低氮肥投入,将产生巨大的生态效益。


″这就是说既要籽粒满仓,又要蛋白管饱,还要大地少负担。破题的关键在于进一步提升氮的利用效率。″严建兵介绍,更妙的是,这个″调度阀″在低氮条件下反而更卖力,通过提高氮素的利用效率,让玉米在少施化肥的情况下依然实现高产高蛋白,恰恰契合″双碳″目标和绿色农业的需求。


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图2. ZmAVT1A-1 不同单倍型的作用及演化


有趣的是,ZmAVT1A-1在天然玉米群体里有三种型号(单倍型)。其中两种型号被″捣乱分子″(转座子)插入了″调度阀″内部,导致调度功能大幅下降,氨基酸分配效率降低,氮素不能高效分配到籽粒中。而那个标准版无插入型号(Non_TE),原本在玉米的祖先大刍草中占89%,本应是最强″调度阀″,但在现代高氮肥的富养环境下,它的优势被掩盖了,频率反而掉到59%。而两个带转座子插入的失灵调度阀,因为附带了一个副作用——降低株高和延迟开花,恰好迎合了育种工作者对矮化抗倒伏的偏好,在热带地区被广泛选用;另一个型号还因削弱延迟开花的副作用,在高纬度地区也流行起来。


″换句话说,过去几十年,为了追求株型紧凑和适应性,我们悄悄换掉了那个高效调度阀,选用了低功率版本。如今,在绿色农业目标下,这个被冷落的高效‘调度阀’重新焕发光彩,它可以在不施或少施化肥的前提下,让玉米自己把氮素分配得又快又准,促进高产高蛋白,实现‘一石三鸟’的效果。″严建兵说。


未来玉米育种可以″智能调度″遗传调控路线


当然,育种不是简单的″换个阀门″。降低株高和调整开花期,可以由其他基因去管。而ZmAVT1A-1的标准版,则专门负责氮素的″高压输送″。通过分子标记辅助选择,育种工作者完全可以把这三个优点叠在一起,实现矮秆抗倒、适期成熟、低氮条件下高产高蛋白的协同。


目前,团队已经将ZmAVT1A-1开发成分子标记,植入了自主研发的包含100多个功能基因的育种芯片上,这个芯片是团队发明的″玉米基因组育种技术体系构建与应用″中的核心工具,已经得到了大量的应用。利用这个芯片,科研工作者可以对大量的育种材料进行筛选,把大量的不包含某个基因的材料排除,进而选择聚合了某些优异等位基因的材料,极大地降低工作量,提升育种效率。


研究团队表示,在产业上,这个″绿色″基因有望让贫瘠土地也能种出高产高蛋白玉米,同时在全国主产区大幅减少氮肥用量,为保障国家粮食安全注入″金色力量″。


论文链接:https://www.nature.com/articles/s41588-026-02655-2


来源: 华中农业大学


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