近日，华中农业大学联合我院基因中心等在国际学术期刊Nature Genetics（中科院生物学一区TOP，IF=25.5）在线发表了题为“Multi-omics analysis of primary metabolism reveals the genetic basis of nitrogen partitioning modulated by ZmAVT1A-1 in maize”的研究论文。该研究利用多组学技术，找到了玉米中一个能同时撬动高产、高蛋白、少施氮肥的“绿色”基因。华中农业大学金敏博士和我院基因中心晏石娟研究员为论文共同第一作者，华中农业大学严建兵教授为论文通讯作者。

　　玉米是我国种植面积最大、总产量最高的农作物，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。让玉米既当“能量源”，又当“蛋白罐”，实现一物两用，在此基础上又减少氮肥使用、减轻土壤负担，这种三全其美的梦想，华中农业大学联合基因中心通过十年攻关，最近终于取得突破性进展。

　　一个“鱼和熊掌”可以兼得的关键基因：ZmAVT1A-1

　　研究团队对人工构建的1404份玉米多样性群体进行代谢组分析，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（包括氨基酸、有机酸、糖类等），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”。这张图揭示了一个意外：叶片和籽粒的初级代谢调控路线中，只有6.9%的路线是共用的，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，完全是两套系统。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，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。

　　研究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；而过表达该基因后，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”——但该“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。

图1. 代谢组关联分析以及ZmAVT1A-1在高低氮处理下的田间植株表现和籽粒产量

　　既要又要还要，ZmAVT1A-1实现“一石三鸟”

　　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来提高玉米产量。然而，在绿色农业和“双碳”目标的背景下，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。

　　研究团队发现ZmAVT1A-1这个“调度阀”在低氮条件反而更卖力—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实现高产高蛋白。而这恰恰契合“双碳”目标和绿色农业的需求。 ZmAVT1A-1在天然玉米群体里有三种型号（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%，本应是最强“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，因为附带了一个副作用——降低株高和延迟开花，这恰好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；另一个型号还因削弱延迟开花的副作用，在高纬度地区也流行起来。这背后是一场与农业生产条件有关的选择。

　　未来玉米育种可以“智能调度”遗传调控路线当然，育种不是简单的换个阀门。降低株高和调整开花期，可以由其他基因去管。而ZmAVT1A-1的标准版，则专门负责氮素的“高压输送”。通过分子标记辅助选择，育种工作者完全可以把这三个优点“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。这个“绿色基因”有望让贫瘠土地也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”。

　　该研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省科技计划项目等资助。

　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41588-026-02655-2