6月3日，國際權(quán)威期刊《自然》（Nature）同期上線了兩篇我國科學家關(guān)于玉米氮素利用與高蛋白玉米的研究成果。兩項突破分別從“讓玉米少施肥、不減產(chǎn)”和“讓玉米蛋白含量更高”兩個角度，為玉米育種和農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供了核心基因資源與理論基礎(chǔ)。

我國化肥用量約占全球三分之一，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，不僅浪費，還引發(fā)土壤酸化、水體污染和溫室氣體排放等問題。由于玉米是我國主要飼料糧，氮素轉(zhuǎn)化效率不足直接導致籽粒蛋白含量僅約8%，這成為我國長期依賴進口大豆（年進口量超1億噸）來滿足飼料蛋白結(jié)構(gòu)性需求的重要原因之一。這兩篇同日登上《自然》的成果，都與四川農(nóng)業(yè)大學黃永財教授及一支年輕團隊緊密相連。

植物體內(nèi)有一套將無機氮轉(zhuǎn)化為有機氮（氨基酸和蛋白質(zhì)）的核心酶體系，但這些酶在葉綠體內(nèi)部的具體“工作位置”和“協(xié)作方式”，長期未被破解。四川農(nóng)業(yè)大學西南作物基因資源發(fā)掘與利用國家重點實驗室黃永財教授團隊與中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心巫永睿研究員團隊合作，從玉米葉片葉綠體中的一個微小結(jié)構(gòu)——“質(zhì)體小球”入手，找到了答案。

研究人員首次揭示了玉米與氮素高效利用和高蛋白積累相關(guān)的重要亞細胞結(jié)構(gòu)及其功能。他們觀察到一種現(xiàn)象，當?shù)爻渥銜r，葉肉細胞葉綠體內(nèi)的質(zhì)體小球數(shù)會顯著增多——這個以往被認為只參與脂質(zhì)代謝的結(jié)構(gòu)，竟是一個動態(tài)的“氮代謝樞紐”。緊扣這一發(fā)現(xiàn)，團隊首次鑒定到兩個定位在質(zhì)體小球表面的氮同化關(guān)鍵酶——亞硝酸還原酶（ZmNIR2）和谷氨酰胺合成酶（ZmGLN1）。有趣的是，研究證實，這兩個酶能攜手組成一個“代謝體”，就像在植物細胞內(nèi)搭建的一條微型蛋白質(zhì)原料生產(chǎn)流水線。這條流水線不僅讓“原材料”在局部濃度增加，還能大大加快其傳遞速度，提高氮素同化的反應效率。而質(zhì)體小球，則穩(wěn)穩(wěn)地充當了這條流水線的固定工作臺。

特別值得關(guān)注的是，這一機制在碳三和碳四植物中普遍存在，這就意味著水稻、小麥、大豆、高粱等許多重要作物中可能也有類似調(diào)控邏輯。這為培育氮高效作物提供了一條全新思路——可以通過篩選并精準設計這兩個關(guān)鍵酶在這樣一個區(qū)室中，實現(xiàn)在減少氮肥施用量的條件下，農(nóng)作物依然保持高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)目標。

同時，這項研究從亞細胞器層面揭示了氮素高效利用的機制，多位專家評價該研究成果，認為它是“一項顛覆性的科學突破”“新的研究范式”，《自然》也為此同期配發(fā)了專題評述?！拔覀兊膱F隊很年輕，才組建三年左右。能有幸在《自然》發(fā)表成果，離不開團隊每一位成員的辛勤付出與協(xié)作?！秉S永財說。團隊核心成員平均年齡30出頭，激勵他們的是“純粹”，也是“極致投入”的精神。

同日發(fā)表于《自然》的另一項成果則聚焦于另一個現(xiàn)實難題：我國玉米籽粒蛋白含量普遍偏低，動物飼料長期依賴進口豆粕。培育高蛋白玉米替代豆粕，是緩解飼料蛋白短缺的重要途徑。

作為該項研究的第一作者，黃永財自作為研究生進入巫永睿課題組以來，始終聚焦于玉米氮代謝與品質(zhì)改良這一前沿領(lǐng)域。2022年，黃永財以第一作者身份在《自然》發(fā)表了關(guān)于高蛋白基因THP9的研究，被四川農(nóng)業(yè)大學作為高層次人才引進成立獨立實驗室后，他依然在此領(lǐng)域不斷深耕。

此次研究團隊從野生玉米祖先——大芻草（蛋白含量高達30%）入手，成功克隆了第二個玉米高蛋白主效基因THP3-T。該基因編碼谷氨酸-草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶1（GOT1），是氮代謝核心酶，其卓越的酶活性顯著增強了氮同化能力?？上н@一優(yōu)異變異在玉米馴化過程中被不經(jīng)意丟棄，在現(xiàn)代玉米中極為稀有。

多年田間試驗證實，該基因在不影響產(chǎn)量的前提下，可將自交系籽粒蛋白含量從10%提升至13%以上。尤其令人振奮的是，將它與此前發(fā)現(xiàn)的第一個高蛋白基因THP9-T聚合后，產(chǎn)生了顯著的協(xié)同增效：導入目前我國推廣面積最大的雜交玉米品種后，籽粒蛋白含量從8.5%提升至12—13%，全株蛋白含量從7%提升至9%以上，且產(chǎn)量保持穩(wěn)定。

目前，研究人員已利用這2個優(yōu)異基因，成功改良了80余個國內(nèi)玉米主栽品種的親本，改良后親本蛋白含量可達14%以上。我國年產(chǎn)玉米約3億噸，若全國飼用玉米蛋白含量提升4個百分點達到12%以上，所增蛋白總量相當于3000多萬噸進口大豆，約占年進口總量的30%。在生產(chǎn)應用中，高蛋白玉米氨基酸含量全面增加且不影響消化率，在育肥豬飼料中可替代50%—100%豆粕，能顯著降低飼料成本；種植端每噸高蛋白玉米收購價比普通玉米高200元，廣泛推廣有利于種植者增收。

此次兩項成果同時發(fā)表，黃永財概括為“一篇致敬過去，一篇展望未來”。而連接過去與未來的，正是中國本土科學家對“國之大者”關(guān)注的赤誠之心，以及對科研“極致投入”的樸素信念。

（中國教育報-中國教育新聞網(wǎng) 記者 陳朝和 通訊員 楊雯）