近日，華中農業大學聯合我院基因中心等在國際學術期刊Nature Genetics（中科院生物學一區TOP，IF=25.5）在線發表了題為“Multi-omics analysis of primary metabolism reveals the genetic basis of nitrogen partitioning modulated by ZmAVT1A-1 in maize”的研究論文。該研究利用多組學技術，找到了玉米中一個能同時撬動高產、高蛋白、少施氮肥的“綠色”基因。華中農業大學金敏博士和我院基因中心晏石娟研究員為論文共同第一作者，華中農業大學嚴建兵教授為論文通訊作者。

　　玉米是我國種植麵積最大、總產量最高的農作物，也是主力飼料作物。然而，國內雜交種玉米籽粒蛋白含量普遍隻有8%左右，無法滿足畜禽養殖業對飼料蛋白的需求。讓玉米既當“能量源”，又當“蛋白罐”，實現一物兩用，在此基礎上又減少氮肥使用、減輕土壤負擔，這種三全其美的夢想，華中農業大學聯合基因中心通過十年攻關，最近終於取得突破性進展。

　　一個“魚和熊掌”可以兼得的關鍵基因：ZmAVT1A-1

　　研究團隊對人工構建的1404份玉米多樣性群體進行代謝組分析，既看葉片，也盯籽粒，像抽血化驗一樣，鑒定出86種關鍵代謝物（包括氨基酸、有機酸、糖類等），再結合基因組、轉錄組、代謝組數據，繪製出一張從遺傳位點到代謝物變異的“調控路線圖”。這張圖揭示了一個意外：葉片和籽粒的初級代謝調控路線中，隻有6.9%的路線是共用的，絕大多數路線是“各走各的”，這說明營養器官和籽粒對代謝物的調控，完全是兩套係統。而全基因組有16個熱點區域，集中控製著碳氮循環的核心路徑。順著這張圖，意外發現“寶藏”——位於玉米5號染色體上負責編碼氨基酸轉運蛋白的基因 ZmAVT1A-1。它編碼一種定位在細胞“儲料罐”（液泡）膜上的氨基酸轉運蛋白。如果把液泡比作細胞的“氨基酸倉庫”，那麼ZmAVT1A-1就是倉庫出口的那個“調度閥”，負責把儲存的氨基酸釋放到細胞質，再通過韌皮部精準“配送”到發育中的籽粒，變成儲藏蛋白。

　　研究團隊做了兩套對比實驗：敲除這個基因後，低氮條件下玉米葉片提前衰老發黃，相對葉綠素下降，單株產量也降低了；而過表達該基因後，植株持綠性增強，最終單株產量和籽粒蛋白含量雙雙提高。高產和高蛋白，通常是負相關的“魚和熊掌”——但該“調度閥”卻能把氮素從莖稈等營養器官更高效地輸送進籽粒，讓玉米既增產又增蛋白，實現了魚和熊掌兼得。

圖1. 代謝組關聯分析以及ZmAVT1A-1在高低氮處理下的田間植株表現和籽粒產量

　　既要又要還要，ZmAVT1A-1實現“一石三鳥”

　　氮是蛋白質的原料，長期以來，農業生產領域通過施用大量氮肥來提高玉米產量。然而，在綠色農業和“雙碳”目標的背景下，減少氮肥投入已成為農業可持續發展的迫切要求。如能在提高玉米蛋白含量的同時降低氮肥投入，將產生巨大的生態效益。這就好比既要籽粒滿倉，又要蛋白管飽，還要讓土壤少負擔。破題的關鍵在於進一步提升氮的利用效率。

　　研究團隊發現ZmAVT1A-1這個“調度閥”在低氮條件反而更賣力—它通過提高氮素的利用效率，讓玉米在少施化肥的情況下依然實現高產高蛋白。而這恰恰契合“雙碳”目標和綠色農業的需求。 ZmAVT1A-1在天然玉米群體裏有三種型號（單倍型）。其中兩種型號被“搗亂分子”（轉座子）插入了“調度閥”內部，導致調度功能大幅下降，氨基酸分配效率降低，氮素不能高效分配到籽粒中。

　　而那個標準版無插入型號，原本在玉米的祖先大芻草中占89%，本應是最強“調度閥”，但在現代高氮肥的富養環境下，它的優勢被掩蓋了，頻率反而掉到59%。兩個帶轉座子插入的失靈調度閥，因為附帶了一個副作用——降低株高和延遲開花，這恰好迎合了育種工作者對矮化抗倒伏的偏好，在熱帶地區被廣泛選用；另一個型號還因削弱延遲開花的副作用，在高緯度地區也流行起來。這背後是一場與農業生產條件有關的選擇。

　　未來玉米育種可以“智能調度”遺傳調控路線當然，育種不是簡單的換個閥門。降低株高和調整開花期，可以由其他基因去管。而ZmAVT1A-1的標準版，則專門負責氮素的“高壓輸送”。通過分子標記輔助選擇，育種工作者完全可以把這三個優點“疊”在一起，實現矮稈抗倒、適期成熟、低氮條件下高產高蛋白的協同。這個“綠色基因”有望讓貧瘠土地也種出高產高蛋白玉米，同時助力全國玉米主產區大幅減少氮肥用量，實現“一石三鳥”。

　　該研究獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省科技計劃項目等資助。

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41588-026-02655-2