玉米（Zea mays L.）是我國第一大糧食作物，被譽為“飼料之王”。然而，我國玉米蛋白含量普遍偏低（僅8%左右），動物飼料嚴重依賴進口豆粕作為蛋白來源。針對我國蛋白質飼料原料嚴重依賴進口的問題，中國科學院分子植物科學卓越創新中心巫永睿、王海海團隊，聯合上海師范大學王文琴團隊和四川農業大學黃永財團隊成功克隆了第二個高蛋白主效基因THP3-T，與他們團隊前期挖掘的第一個高蛋白基因THP9-T聚合，將自交系籽粒蛋白含量從10%提升至15%，并將我國推廣面積最大的玉米雜交種鄭單958的籽粒蛋白含量從8.5%提升至12-13%，全株蛋白含量從7%提升至9%以上，且產量保持穩定。該成果以“Teosinte alleles enhance nitrogen assimilation and seed protein in maize”的為題，于北京時間2026年6月3日在線發表在國際權威學術期刊Nature上。

2025年我國大豆進口量超1億噸，若我國玉米蛋白含量每提高一個百分點，相當于約800萬噸進口大豆的蛋白含量。因此，培育高蛋白玉米替代飼料中的進口豆粕是緩解我國飼料蛋白短缺的有效途徑之一，但是育種中缺乏優異的高蛋白基因。研究發現野生玉米蛋白含量高達30%，但在長達9000多年的馴化與現代育種歷程中，由于缺乏針對蛋白含量的定向選擇，大部分優異基因在現代玉米中已“丟失”。2022年，巫永睿團隊率先從野生玉米中挖掘到首個高蛋白基因 THP9-T，實現了我國玉米主栽品種蛋白含量的初步提升，但如何進一步突破玉米蛋白含量仍是巨大挑戰。

經過多年持續攻關，研究團隊成功創制了第二個高蛋白THP3的高世代遺傳群體，通過精細定位和圖位克隆，挖掘到第二個高蛋白基因THP3-T。通過多年多點的田間試驗表明，THP3-T優異基因在不影響產量的前提下，可將自交系的籽粒蛋白含量從10%提升至13%以上，同時提高全株蛋白含量，并賦予植株在低氮條件下保持生物量及蛋白含量的氮高效（NUE）特性。該基因編碼谷氨酸-草酰乙酸轉氨酶1（GOT1），是氮代謝途徑中的核心酶。THP3-T主要通過其卓越的酶活性增強了氮同化能力，從而促進了籽粒蛋白含量的提升。群體遺傳學分析發現，THP3-T啟動子和編碼區的優異變異是蛋白含量提升的根源，但在玉米馴化過程中由于缺乏選擇，該基因被不經意間“丟棄”，導致其在現代玉米中的存在頻率僅為2.1%，非常稀有。

進一步研究發現，THP3-T（編碼谷氨酸-草酰乙酸轉氨酶1）與THP9-T（編碼天冬酰胺合成酶4）共同構成了氮同化的核心代謝中心。將兩者聚合后，展現出前所未有的協同增效作用——自交系籽粒蛋白含量從10%提升至15%，遠超單個基因的作用。將這兩個基因導入雜交種鄭單958后，籽粒蛋白含量從8.5%提升至12-13%，且不影響產量。因此，THP3-T 的挖掘不僅補齊了高蛋白玉米育種的“關鍵拼圖”，更為現代玉米的品質“回溯”與精準改良提供了可能。

圖1 聚合THP3-T和THP9-T培育高蛋白玉米。THP3-T和THP9-T將雜交種鄭單958的籽粒蛋白含量從8.5%提升到12-13%，全株蛋白含量從7%提升到9%，不影響產量

該研究不僅在理論上揭示了高蛋白玉米形成的分子機制，更在應用層面率先提出“培育全株高蛋白玉米、保障國家蛋白飼料糧安全”的豆粕替代創新路徑。目前，團隊已利用分子標記輔助育種技術，精準改良了80余個國內玉米主栽品種的親本，改良后親本蛋白含量可提升至14%以上。同時，我國玉米年產約3億噸，若全國飼用玉米蛋白含量能提升4個百分點達到12%以上，所增加的蛋白總量相當于3000多萬噸進口大豆，約占30%的進口大豆總量。

此外，該成果具有重要的社會經濟價值：在養殖端，高蛋白玉米氨基酸含量全面增加且不影響消化率，在育肥豬飼料中具有替代50%-100%豆粕的潛力，并可顯著降低蛋雞、肉雞飼料中豆粕的添加比例，從而大幅降低飼料成本，提高養殖產業的經濟效益；在種植端，每噸高蛋白玉米的收購價比普通玉米高200元，全面推廣高蛋白玉米后可顯著促進農民增收。未來，團隊將持續探索構建從基因挖掘、種質創制到新型飼料加工的“全產業鏈”模式，為保障國家糧食安全、推動農業新質生產力發展提供強有力的科技支撐。

中國科學院分子植物科學卓越創新中心巫永睿研究員、王海海研究員和上海師范大學王文琴教授為論文共同通訊作者。四川農業大學黃永財教授（碩博畢業于中國科學院分子植物科學卓越創新中心）、中國科學院分子植物科學卓越創新中心朱一棟博士生和崔亞輝助理工程師為共同第一作者。中國科學院分子植物科學卓越創新中心石國龍、武霄仙、吳興國、劉靜靜、代湘杰、張余研究員，四川農業大學李文皓、陳治滕、顧胤聰、羅詩琪、陳迪、高盧盧、猶沖、李優良，上海師范大學周宇、李睿梵、劉俊鑫，以及德國馬普生物研究所鮑志貴等也共同參與了本項研究工作。該研究得到中國科學院先導專項（B類）、國家自然科學基金委、上海尚思自然科學研究院、科學探索獎、四川省杰出青年科學基金、生物育種國家科技重大專項、玉米生物育種國家重點實驗室開放基金、上海市植物分子科學重點實驗室、上海市農委項目、以及山東省重點研發計劃等科研項目的資助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10575-8