严建兵（右二）与团队成员在田间做研究。华中农业大学供图

■本报记者 李思辉 通讯员 晏华华 唐瑞婕

玉米是我国种植面积最大、产量最高的农作物，也是主力饲料作物。然而，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，蛋白缺口往往只能靠进口大豆来补。数据显示，我国大豆进口量常年在1亿吨左右，对外依存度超过80%。这意味着，我国玉米蛋白含量每增加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，并在此基础上减少氮肥使用、减轻土壤负担，这种三全其美的梦想，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室严建兵教授团队苦苦追寻了十多年，最近终于取得关键突破。

该团队与合作者利用多组学技术，借助前期发展的CUBIC群体系统，找到了一个能同时撬动高产、高蛋白、少施氮肥的“绿色基因”。相关研究6月29日在线发表于《自然-遗传学》。

鱼和熊掌可以兼得

这项研究并非从一个已知基因开始，而是从玉米不同器官的代谢差异入手。

论文第一作者、团队成员金敏介绍，在严建兵带领下，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，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”。

这张图发现，叶片和籽粒的初级代谢调控路线中只有6.9%是共用的，绝大多数路线是“各走各的”，这说明营养器官和籽粒对代谢物的调控是两套系统。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，意外发现“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。

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；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，通常是负相关的‘鱼和熊掌’，但我们发现的这个‘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，实现了鱼和熊掌兼得。”严建兵说。

既要又要还要

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以提高玉米蛋白含量。然而，在绿色农业和“双碳”目标背景下，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。

“这就好比既要籽粒满仓，又要蛋白管饱，还要让土壤少负担。破题的关键在于进一步提升氮的利用效率。”严建兵介绍，奇妙的是，这个“调度阀”在低氮条件下反而更“卖力”。它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高产、高蛋白。这恰恰契合“双碳”目标和绿色农业的需求。

据介绍，ZmAVT1A-1在天然玉米群体里有3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，原本在玉米的祖先大刍草中占89%，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%。

两个带转座子插入的失灵“调度阀”，因为附带了降低株高和延迟开花的副作用，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；而标准版无插入型号因削弱延迟开花的副作用，在高纬度地区流行起来。

研究人员解释，这背后是一场与农业生产条件有关的选择。在过去氮肥投入相对充足的环境中，氮素再分配效率的差异不易显现，株高和花期的变化却更直观，也更容易被育种者选择。于是，原本有利于高效氮利用的单倍型，逐渐被忽略。

“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，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，达到高产、高蛋白的效果。”严建兵说。

玉米育种有望“智能调度”

“由ZmAVT1A-1专门负责氮素的‘高压输送’，由其他基因降低株高和调整开花期，通过分子标记辅助选择，育种工作者完全可以把这3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。”严建兵说。

目前，该团队已将ZmAVT1A-1开发为分子标记，纳入湖北洪山实验室自主研发的育种芯片中。作为该实验室发明的“玉米基因组育种技术体系构建与应用”中的核心工具，该芯片已整合100多个功能基因的信息，并实现较大规模的应用。

利用这个芯片，科研工作者可对大量育种材料进行筛选，将不包含某个基因的材料排除，选择聚合了某些优异等位基因的材料，极大降低工作量，提升育种效率。

严建兵告诉《中国科学报》，接下来，这个“绿色基因”有望使贫瘠土地种出高产高蛋白玉米，同时助力全国玉米主产区大幅减少氮肥用量，实现“一石三鸟”。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41588-026-02655-2