四川农业大学：科学家两项研究成果为玉米氮素高效利用难题破局

6月3日，国际权威期刊《自然》（Nature）同期上线了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。两项突破分别从“让玉米少施肥、不减产”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。

我国化肥用量约占全球三分之一，然而利用率偏低。其中，玉米氮肥利用率普遍低于40%，施入土壤的氮肥大多流失，不仅浪费，还引发土壤酸化、水体污染和温室气体排放等问题。由于玉米是我国主要饲料粮，氮素转化效率不足直接导致籽粒蛋白含量仅约8%，这成为我国长期依赖进口大豆（年进口量超1亿吨）来满足饲料蛋白结构性需求的重要原因之一。这两篇同日登上《自然》的成果，都与四川农业大学黄永财教授及一支年轻团队紧密相连。

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”，长期未被破解。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教授团队与中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿研究员团队合作，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。

研究人员首次揭示了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，团队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）。有趣的是，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的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，则稳稳地充当了这条流水线的固定工作台。

特别值得关注的是，这一机制在碳三和碳四植物中普遍存在，这就意味着水稻、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了一条全新思路——可以通过筛选并精准设计这两个关键酶在这样一个区室中，实现在减少氮肥施用量的条件下，农作物依然保持高产稳产目标。

同时，这项研究从亚细胞器层面揭示了氮素高效利用的机制，多位专家评价该研究成果，认为它是“一项颠覆性的科学突破”“新的研究范式”，《自然》也为此同期配发了专题评述。“我们的团队很年轻，才组建三年左右。能有幸在《自然》发表成果，离不开团队每一位成员的辛勤付出与协作。”黄永财说。团队核心成员平均年龄30出头，激励他们的是“纯粹”，也是“极致投入”的精神。

同日发表于《自然》的另一项成果则聚焦于另一个现实难题：我国玉米籽粒蛋白含量普遍偏低，动物饲料长期依赖进口豆粕。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。

作为该项研究的第一作者，黄永财自作为研究生进入巫永睿课题组以来，始终聚焦于玉米氮代谢与品质改良这一前沿领域。2022年，黄永财以第一作者身份在《自然》发表了关于高蛋白基因THP9的研究，被四川农业大学作为高层次人才引进成立独立实验室后，他依然在此领域不断深耕。

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，成功克隆了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（GOT1），是氮代谢核心酶，其卓越的酶活性显著增强了氮同化能力。可惜这一优异变异在玉米驯化过程中被不经意丢弃，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。尤其令人振奋的是，将它与此前发现的第一个高蛋白基因THP9-T聚合后，产生了显著的协同增效：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%提升至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2个优异基因，成功改良了80余个国内玉米主栽品种的亲本，改良后亲本蛋白含量可达14%以上。我国年产玉米约3亿吨，若全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，约占年进口总量的30%。在生产应用中，高蛋白玉米氨基酸含量全面增加且不影响消化率，在育肥猪饲料中可替代50%—100%豆粕，能显著降低饲料成本；种植端每吨高蛋白玉米收购价比普通玉米高200元，广泛推广有利于种植者增收。

此次两项成果同时发表，黄永财概括为“一篇致敬过去，一篇展望未来”。而连接过去与未来的，正是中国本土科学家对“国之大者”关注的赤诚之心，以及对科研“极致投入”的朴素信念。

（中国教育报-中国教育新闻网 记者 陈朝和 通讯员 杨雯）

作者：陈朝和 杨雯