广州大学教授以通讯作者身份在国际著名期刊（IF=25.8）上发表论文

近日，广州大学生命科学学院关跃峰课题组在Molecular Plant在线发表观点文章 “Carbon Nitrogen Bottlenecks: A Perfect Storm to Face in Soybean Yield Improvement”。该文章系统分析了制约大豆产量提升的一个潜在限制因素——碳氮代谢瓶颈，即种子组成、固氮过程中的高碳消耗，以及群体光合效率的限制，并提出了应对这些瓶颈的未来突破路径。广州大学生命科学学院关跃峰教授为论文的通讯作者，博士后张力为论文第一作者，孔凡江教授和刘宝辉教授为论文提供重要思路。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、博士后创新人才计划和广州市科技计划项目的支持。

大豆是全球农业的重要基石作物，是植物油、动物饲料以及人类膳食植物蛋白的主要来源，并通过共生固氮在农业可持续发展中发挥着关键作用。然而，在过去80年中，水稻、玉米和小麦等主要粮食作物通过矮秆耐密育种实现了“绿色革命”，产量大幅跃升，而大豆的产量提升则相对缓慢，尚未经历类似的突破。近年来，我国科学家研究在大豆耐密株型理论和基因克隆方面已取得良好进展。

文章指出大豆面临的碳氮代谢瓶颈主要包括以下三个方面：

1) 种子合成对碳氮的高投入：大豆种子富含约40%的蛋白质和20%的油脂，每合成1克种子需消耗70–90毫克氮（约为水稻的3倍），并消耗约2克光合产物（约为水稻1.5倍）。种子合成的碳氮投入，是限制大豆高产的重要因素之一；

2) 固氮代谢具有较高的碳成本：根瘤共生固氮是大豆获取氮素的重要机制，但每固定1克氮需消耗5.2–18.8克碳，占总光合产物的9–14%。当结瘤程度过高时，反而对产量产生负面影响，从而形成“碳-氮资源竞争”；

3) 高密度种植条件下的光合受限：大豆叶片结构导致下层叶片光照受限，降低光合效率。以上因素综合限制了大豆产量提升（图1A）。

图1 大豆碳-氮瓶颈及构建理想生理型的应对策略

作者提出突破大豆碳氮瓶颈的应对策略，包括：

1) 在维持碳氮平衡的基础上，优化结瘤固氮效率，并降低对氮肥敏感性，从而提高氮源总量；

2) 改善群体光合结构，增强冠层整体的光合效率和碳固定潜力；

3) 强化碳氮运输体系，促进碳氮向种子的有效分配。

为实现以上目标，需要整合多组学技术与人工智能方法，以识别关键调控基因及其网络机制。为实现精细调控多个碳氮代谢相关基因，需结合引导编辑、多重编辑、启动子编辑等精准基因编辑技术，从而最终构建理想的大豆碳-氮生理型（图1B）。

https://doi.org/10.1016/j.molp.2025.07.017