#老蒋说科技谈农业##涨知识 ##科普知识# Nature|中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿研究团队构建高世代遗传群体，通过精细定位挖掘到第二个野生玉米高蛋白基因。

2026年6月“Nature”杂志在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿联合多个研究团队的“Teosinte alleles enhance nitrogen assimilation and seed protein in maize”的研究论文，该研究构建了第二个高蛋白THP3的高世代遗传群体，通过精细定位挖掘到第二个高蛋白基因THP3-T，通过多年多点田间试验表明，可提高籽粒蛋白，同时提高全株蛋白含量。
首先通过构建回交群体和近等基因系，确认了3号染色体上存在一个调控大刍草高蛋白性状的QTL。通过连续回交和分子标记辅助选择，逐步构建了BC6至BC10群体，结合混池分离分析（BSA）和高重测序，将THP3精细定位至0.3 Mb区间，其中仅Zm00001eb152450（编码GOT1）在籽粒中特异性高表达。该基因在大刍草等位基因（THP3-T）启动子区存在50 bp和362 bp插入，编码区存在氨基酸插入（QA）及两个非同义替换，而玉米B73等位基因（THP3-B）则不同。田间试验表明，THP3-T纯合或杂合株系的蛋白含量显著高于THP3-B株系，且不牺牲产量相关性状，证实THP3-T是提高籽粒蛋白含量的功能性等位基因。

为验证THP3位点对蛋白含量的影响，研究者通过自交BC8个体，构建了携带THP3-T（源自Teosinte）和THP3-B（源自B73）等位基因的近等基因系（NILs），分别命名为NILTeoTHP3和NILB73。多年多点（上海、三亚，2024-2025）田间试验表明，NILTeoTHP3的籽粒蛋白含量显著高于NILB73（平均提升28-30%，如从10.24%增至13.12%），但两者在穗部、籽粒形态及产量构成（百粒重、穗粒数、单穗粒重）上无可见差异，说明THP3-T的导入未产生不利多效性。进一步全植株蛋白测定（杜马斯法）显示，NILTeoTHP3在根、茎、叶中的蛋白含量及地上、地下生物量均显著高于NILB73，且不影响粒重。该效应在2022-2023年三亚试验中重复验证。综上，THP3-T等位基因能稳定提高全株蛋白积累且不牺牲产量，有望用于高蛋白青贮玉米育种。

温室实验表明，在低氮（0.04 mM）和正常氮（4 mM）条件下，携带THP3-T的NILTeoTHP3株系相较于对照NILB73，其地上与地下生物量均显著增加，表现出高效氮利用特性。借助专用培养系统进一步确认，在不施氮肥的极端缺氮条件下，NILTeoTHP3的株高和生物量优势尤为突出，证明THP3-T赋予植株在氮素极度匮乏时的强健生长优势。田间试验设置四个氮水平（100%-25%）。结果显示，NILTeoTHP3在各氮水平下均保持更高的籽粒、叶片、茎和根中蛋白质含量，尤其在低氮条件下呈现显著的持绿表型和更高的地上生物量。当氮肥从正常降至25%时，NILB73籽粒蛋白含量下降18.01%，而NILTeoTHP3仅下降0.02%；同时，NILTeoTHP3的百粒重比NILB73高18.7%，表明THP3-T不仅维持高蛋白积累，还减缓了低氮导致的产量损失。综上，THP3-T通过优化不同氮可利用度下的氮素分配与同化，显著提升整体氮利用效率和营养品质。

尽管前期发现THP3-T等位基因的启动子活性及GOT1转录水平显著高于THP3-B，但单独增强启动子活性（如过表达THP3-B）或敲低THP3-B均不能提升蛋白含量，表明THP3-B功能缺失。相反，在NILTeoTHP3背景下敲低THP3-T会显著降低籽粒蛋白含量，证明THP3-T是高蛋白性状所必需。进一步分析表明，编码区的三个氨基酸变异是关键：过表达THP3-T（而非THP3-B）可在B73和B104两种背景下稳定、可遗传地提高籽粒蛋白含量（相对增幅9–33%），且不改变产量相关性状。综上，该研究否定了启动子活性增强单独决定高蛋白性状的假说，明确指出GOT1编码区的序列变异（而非转录上调）才是高蛋白性状的主要驱动力。

为验证THP3-T等位基因通过GOT1变异提升蛋白含量的假说，研究者比较了GOT1-B与GOT1-T的酶学特性。体外实验显示，GOT1-T的酶活性和底物亲和力显著高于GOT1-B，且主要形成二聚体，而GOT1-B以四聚体为主。GOT1-T的二聚体和四聚体形式均表现出更强的酶活性，其编码区的三个氨基酸变异可能是结构基础。体内实验进一步证实，携带THP3-T的株系（如NILTeoTHP3）GOT1活性显著升高，同时谷氨酸合成酶（GOGAT）和谷氨酰胺合成酶（GS）活性也增强，表明碳氮代谢通量提升。代谢物分析显示，根中α-酮戊二酸、谷氨酸、谷氨酰胺和天冬酰胺积累增加，叶中天冬氨酸、草酰乙酸、谷氨酸和天冬酰胺也升高，且叶中谷氨酰胺/α-酮戊二酸比率上升，指示氮充足状态。15N标记实验证实氮同化效率增强。综上，THP3-T通过提升GOT1活性促进氮同化与蛋白合成。
尽管THP3-T等位基因能提高玉米氮利用效率和籽粒蛋白含量，但现代自交系中该位点并未出现显著GWAS关联信号。群体遗传分析发现，THP3区域存在一个50 bp启动子Indel和三个编码区变异，后者间强连锁但与前者弱连锁。启动子与编码区有利单倍型组合与高蛋白含量相关。从野生种到地方种再到现代自交系，THP3区域核苷酸多样性逐级下降，启动子Indel及两个非同义编码位点的野生来源等位基因频率也持续降低，表明该区域在驯化与育种中经历了强烈的负选择，无意中富集了低蛋白相关等位基因。这揭示了玉米蛋白含量的演化机制，并强调重新引入THP3-T等位基因对培育高蛋白品种具有巨大潜力。
该段研究验证了玉米高蛋白等位基因THP3-T与THP9-T的协同效应。作者将二者同时导入B73背景，创制双基因近等基因系NILTeoTHP3,9。与单个等位基因系相比，该双基因系在三亚连续三年（2022–2024）的籽粒蛋白含量均显著提升（达15%–16.5%，相对增幅约47%–52%），且未降低百粒重。此外，双基因系根中谷氨酰胺水平回落至对照水平，而天冬酰胺含量升至对照及单基因系的两倍以上，表明THP3-T与THP9-T协同促进谷氨酰胺向天冬酰胺转化，从而提高籽粒蛋白。该协同效应还显著提高了根、茎、叶的蛋白含量及地上与地下部生物量。综上，THP3-T及THP3-T/THP9-T组合可提高玉米氮利用效率，具有重要育种应用潜力。
将这两个优异等位基因导入中国大面积推广杂交种郑单958的亲本系（郑58和昌7-2）后，两个亲本的籽粒蛋白含量从约10%显著提升至约15%，且花期、株高、穗位等关键农艺性状无显著变化。利用改良亲本组配的杂交种郑单958-THP3,9，在多年、多地（如上海、三亚）试验中籽粒蛋白含量一致显著提高（如2024年上海从8.45%升至12.09%），全株蛋白含量也显著增加。同时，百粒重、穗粒重、地上部生物量等产量相关性状未受影响。结果表明，聚合THP3-T与THP9-T可在不影响产量的前提下有效提升优质玉米杂交种的籽粒蛋白含量，展现了其在育种改良中的巨大潜力。

该文章创新点

（1）首次克隆并鉴定到THP3基因。

（2）揭示THP3-T等位基因的功能优势与驯化选择机制。

（3）提出THP3-T与THP9-T聚合增效的高蛋白育种策略。

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