Nature | 中国科学院分子植物卓越中心巫永睿/王海海团队成功克隆第二个玉米高蛋白主效基因THP3-T

玉米（Zea mays L.）是我国第一大粮食作物，被誉为“饲料之王”。然而，我国玉米蛋白含量普遍偏低（仅8%左右），动物饲料严重依赖进口豆粕作为蛋白来源。针对我国蛋白质饲料原料严重依赖进口的问题，中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿、王海海团队，联合上海师范大学王文琴团队和四川农业大学黄永财团队成功克隆了第二个高蛋白主效基因THP3-T，与他们团队前期挖掘的第一个高蛋白基因THP9-T聚合，将自交系籽粒蛋白含量从10%提升至15%，并将我国推广面积最大的玉米杂交种郑单958的籽粒蛋白含量从8.5%提升至12-13%，全株蛋白含量从7%提升至9%以上，且产量保持稳定。该成果以“Teosinte alleles enhance nitrogen assimilation and seed protein in maize”的为题，于北京时间2026年6月3日在线发表在国际权威学术期刊Nature上。

2025年我国大豆进口量超1亿吨，若我国玉米蛋白含量每提高一个百分点，相当于约800万吨进口大豆的蛋白含量。因此，培育高蛋白玉米替代饲料中的进口豆粕是缓解我国饲料蛋白短缺的有效途径之一，但是育种中缺乏优异的高蛋白基因。研究发现野生玉米蛋白含量高达30%，但在长达9000多年的驯化与现代育种历程中，由于缺乏针对蛋白含量的定向选择，大部分优异基因在现代玉米中已“丢失”。2022年，巫永睿团队率先从野生玉米中挖掘到首个高蛋白基因 THP9-T，实现了我国玉米主栽品种蛋白含量的初步提升，但如何进一步突破玉米蛋白含量仍是巨大挑战。

经过多年持续攻关，研究团队成功创制了第二个高蛋白THP3的高世代遗传群体，通过精细定位和图位克隆，挖掘到第二个高蛋白基因THP3-T。通过多年多点的田间试验表明，THP3-T优异基因在不影响产量的前提下，可将自交系的籽粒蛋白含量从10%提升至13%以上，同时提高全株蛋白含量，并赋予植株在低氮条件下保持生物量及蛋白含量的氮高效（NUE）特性。该基因编码谷氨酸-草酰乙酸转氨酶1（GOT1），是氮代谢途径中的核心酶。THP3-T主要通过其卓越的酶活性增强了氮同化能力，从而促进了籽粒蛋白含量的提升。群体遗传学分析发现，THP3-T启动子和编码区的优异变异是蛋白含量提升的根源，但在玉米驯化过程中由于缺乏选择，该基因被不经意间“丢弃”，导致其在现代玉米中的存在频率仅为2.1%，非常稀有。

进一步研究发现，THP3-T（编码谷氨酸-草酰乙酸转氨酶1）与THP9-T（编码天冬酰胺合成酶4）共同构成了氮同化的核心代谢中心。将两者聚合后，展现出前所未有的协同增效作用——自交系籽粒蛋白含量从10%提升至15%，远超单个基因的作用。将这两个基因导入杂交种郑单958后，籽粒蛋白含量从8.5%提升至12-13%，且不影响产量。因此，THP3-T 的挖掘不仅补齐了高蛋白玉米育种的“关键拼图”，更为现代玉米的品质“回溯”与精准改良提供了可能。

图1 聚合THP3-T和THP9-T培育高蛋白玉米。THP3-T和THP9-T将杂交种郑单958的籽粒蛋白含量从8.5%提升到12-13%，全株蛋白含量从7%提升到9%，不影响产量

该研究不仅在理论上揭示了高蛋白玉米形成的分子机制，更在应用层面率先提出“培育全株高蛋白玉米、保障国家蛋白饲料粮安全”的豆粕替代创新路径。目前，团队已利用分子标记辅助育种技术，精准改良了80余个国内玉米主栽品种的亲本，改良后亲本蛋白含量可提升至14%以上。同时，我国玉米年产约3亿吨，若全国饲用玉米蛋白含量能提升4个百分点达到12%以上，所增加的蛋白总量相当于3000多万吨进口大豆，约占30%的进口大豆总量。

此外，该成果具有重要的社会经济价值：在养殖端，高蛋白玉米氨基酸含量全面增加且不影响消化率，在育肥猪饲料中具有替代50%-100%豆粕的潜力，并可显著降低蛋鸡、肉鸡饲料中豆粕的添加比例，从而大幅降低饲料成本，提高养殖产业的经济效益；在种植端，每吨高蛋白玉米的收购价比普通玉米高200元，全面推广高蛋白玉米后可显著促进农民增收。未来，团队将持续探索构建从基因挖掘、种质创制到新型饲料加工的“全产业链”模式，为保障国家粮食安全、推动农业新质生产力发展提供强有力的科技支撑。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿研究员、王海海研究员和上海师范大学王文琴教授为论文共同通讯作者。四川农业大学黄永财教授（硕博毕业于中国科学院分子植物科学卓越创新中心）、中国科学院分子植物科学卓越创新中心朱一栋博士生和崔亚辉助理工程师为共同第一作者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心石国龙、武霄仙、吴兴国、刘静静、代湘杰、张余研究员，四川农业大学李文皓、陈治滕、顾胤聪、罗诗琪、陈迪、高卢卢、犹冲、李优良，上海师范大学周宇、李睿梵、刘俊鑫，以及德国马普生物研究所鲍志贵等也共同参与了本项研究工作。该研究得到中国科学院先导专项（B类）、国家自然科学基金委、上海尚思自然科学研究院、科学探索奖、四川省杰出青年科学基金、生物育种国家科技重大专项、玉米生物育种国家重点实验室开放基金、上海市植物分子科学重点实验室、上海市农委项目、以及山东省重点研发计划等科研项目的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10575-8