前言
2026年6月3日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿研究团队联合上海师范大学王文琴团队和四川农业大学黄永财团队在 Nature 在线发表文章Teosinte alleles enhance nitrogen assimilation and seed protein in maize，从玉米野生近缘种大刍草挖掘到第二个关键高蛋白基因 THP3-T，该基因在人工驯化选择过程中被“丢失”了，将该野生玉米优异基因THP3-T导入可提升玉米籽粒蛋白近 30%、不减产，同时，和此前发现的 THP9-T 聚合后蛋白最高涨幅近 50%。研究团队已成功改良国内大品种郑单 958，培育出高产高蛋白新型玉米，有望缓解全球饲料蛋白紧缺、减少大豆依赖与化肥使用。欧易生物为BSA测序及转录组测序提供了技术支持。
发表期刊：Nature
影响因子：48.5
涉及的欧易生物服务产品：BSA测序、转录组测序
研究背景
联合国预测 2050 年全球人口达 97 亿，肉蛋奶消费激增带动全球饲料蛋白缺口持续扩大，大豆作为饲料蛋白主力受土地、气候约束增产有限。玉米是我国第一大粮食作物，被誉为“饲料之王”。然而，我国玉米蛋白含量普遍偏低（仅8%左右），动物饲料严重依赖进口豆粕作为蛋白来源，因此迫切需要改良玉米育种，提高玉米籽粒蛋白含量。
玉米驯化几千年中，人类定向选育高产淀粉品种，直接造成玉米籽粒蛋白含量大幅下降。玉米育种长期困在“高产必低蛋白”的碳氮代谢矛盾：光合碳流向淀粉积累实现增产，氮元素不足难以合成蛋白，二者很难同步提升。
此前，研究团队已从玉米野生祖先大刍草中找到第一个高蛋白基因 THP9-T，本次研究继续挖掘全新关键基因 THP3，破解产量与蛋白拮抗痛点。
研究内容
本研究依托多代回交遗传群体，利用 BSA、重测序精细定位得到 THP3（GOT1），明确启动子、编码区两处关键自然变异；结合多年多地田间及梯度氮肥试验进行表型与氮效率验证，证实 THP3-T 提升全株蛋白、增产不减值、显著提升氮肥利用效率；结合转基因、体外酶活、代谢组与 ¹⁵N 同位素进行分子机理解析，证实编码区突变提升酶活，重塑植株碳氮代谢通路；基于群体遗传学进行进化溯源，证明 THP3-T 在玉米人工驯化中被负选择逐步淘汰；进一步对研究团队挖掘的两个野生玉米高蛋白基因联合，发现THP3-T 与 THP9-T 上下游代谢互补，聚合后蛋白提升幅度出现协同加成；最后开展育种落地：双基因导入我国标杆品种郑单958，培育高蛋白改良杂交种，具备规模化育种应用价值。
研究结果
Result 1 图位克隆锁定高蛋白主效基因 THP3，其编码谷氨酸草酰乙酸转氨酶1（GOT1）
利用 B73 × 大刍草连续回交构建 BC2~BC10上万株分离群体，BSA测序初定位 3 号染色体 165–216.5Mb 区间；再通过 BC8重测序缩至 6.4Mb，BC9/BC10 大群体精细锚定在0.3Mb 极小区间（200.3–200.6Mb），区间内8个候选基因，仅 Zm00001eb152450（GOT1）在根、籽粒胚乳高表达，确定为THP3。（图1a-b）
序列比对：大刍草优势等位THP3-T：启动子区存在 2 处插入变异（50bp、362bp 插入），编码区 3 处突变，造成 1 个氨基酸插入 QA+2 个非同义突变；栽培玉米 B73 的 THP3-B 无上述变异。
图1 THP3的图位克隆
Result 2 THP3-T 显著提升全株蛋白，且不影响产量性状
构建B73背景近等基因系 NIL-Teosinte（携带 THP3-T）与 NIL-B73（THP3-B），在上海、三亚多年多点进行田间试验，证实：
籽粒蛋白显著增加：B73 基线约10%，导入 THP3-T 后升至 13.1%~14%，增幅 28%~30%；
全株蛋白同步上涨：根蛋白 7.89%→11.36%、茎 7.30%→10.57%、叶片 18.51%→21.87%；地上、地下生物量同步增加；
百粒重、单穗粒数、单穗粒重三大产量指标多年统计无显著差异；低氮（25% 常规施氮）环境下，THP3-T 材料百粒重反而比对照高 18.7%，耐低氮突出。
总的来说THP3-T打破玉米 “蛋白升、产量降” 固有矛盾，既能提高籽粒蛋白，还能提升青贮玉米茎叶蛋白，兼顾粮用、青贮饲用双重价值，低氮贫瘠土地优势更强。(图1c-k）
Result 3 THP3-T大幅提升玉米氮利用效率（NUE）
设置4个施氮梯度（100%/75%/50%/25%常规氮肥）进行田间试验：普通 B73 玉米氮肥从足量降到 25% 减量时，籽粒蛋白从 9.77% 跌到 8.01%（降幅 18%）；携带THP3-T株系蛋白仅从13.43%小幅降到13.19%，几乎持平。水培高低氮盆栽也证实无论正常氮/极低氮，THP3-T株系根冠生物量显著优于 B73。总的来说，携带 THP3-T 玉米耐贫瘠、肥料利用率高，可减少氮肥施用、降低种植成本与农业面源污染，契合减肥增效国策。
Result 4 编码区变异决定GOT1高活性，单纯上调 THP3-B 表达无效
过表达栽培型 THP3-B，转基因植株蛋白、产量与野生型无差异；B73背景沉默内源THP3-B，籽粒蛋白无变化；在 THP3-T 近等基因系中干扰该基因表达，籽粒蛋白显著下降。在 B73、B104 中过表达 THP3-T，多代田间稳定提升籽粒蛋白 10%~33%。体外生化表明：GOT1-T 以高活性二聚体为主，GOT1-B 多为低活性四聚体，GOT1-T 酶活、底物亲和力显著更强。总的来说，编码区氨基酸变异改变 GOT1 蛋白空间结构是高酶活核心诱因，仅提高普通玉米基因转录无法改良籽粒蛋白。（图2）
图2 THP3的基因验证
Result 5 THP3-T优化碳氮流向，驯化负选择导致优良等位丢失
GOT1 是碳代谢（三羧酸循环）与氮代谢的枢纽酶。THP3-T 株系根系 GOT、GOGAT、GS 酶活全部上调，α- 酮戊二酸、谷氨酸、谷氨酰胺、天冬酰胺大量富集；叶片 α- 酮戊二酸消耗增多含量下降，草酰乙酸、天冬酰胺积累；¹⁵N 同位素标记证实植株整体氮同化、转运效率大幅提升。
进化群体试验：从野生大刍草→地方农家种→现代自交系，THP3-T 启动子插入、编码区优异突变的基因型频率持续走低，核苷酸多样性逐步下降；玉米驯化阶段人类优先筛选高淀粉高产种质，高蛋白 THP3-T 等位遭遇负向人工选择，在现代栽培玉米中逐步丢失。（图3）
图3 THP3-T在C-N平衡中的作用及其自然变化
Result 6 双基因聚合育种落地，成功改良主栽品种郑单958
代谢通路显示 THP3-T 负责合成谷氨酸原料，THP9-T 编码 ASN4 催化谷氨酰胺转化为转运型天冬酰胺，二者形成上下游互补的协同代谢关系。单基因 THP3-T、THP9-T 籽粒蛋白均在 13% 左右，双基因聚合后 B73 背景籽粒蛋白最高达 16.52%，相对对照提升 47.1%，增效效果远超两个基因单独累加；利用分子标记辅助回交，将双优良等位导入郑 58、昌 7-2，培育改良亲本并配制新型郑单 958，多年多点试验籽粒由 8.3%~8.7% 提升至 11.78%，百粒重、穗重、生育期等产量性状无变化。总的来说，两个基因代谢通路天然互补是聚合超效的核心，双基因聚合育种技术成熟，可快速改良主流玉米品种，减少大豆饲料依赖。（图4&5）
图4 THP3-T和THP9-T对蛋白质含量及氮代谢的协同作用
图5 THP3-T 与 THP9-T 基因聚合可提升优良杂交玉米籽粒蛋白含量
研究结论
本研究从大刍草中克隆获得关键高蛋白主效基因 THP3，系统完成多环境田间与生化试验验证，证实 THP3-T 等位可在不减产前提下显著提升玉米籽粒与全株蛋白、大幅提升氮肥利用效率：核心发现包括单基因导入使玉米籽粒蛋白提升 28%~30%，低氮栽培环境仍可稳定维持高蛋白，且百粒重、穗粒数等产量性状无不良变化；
率先从蛋白结构与碳氮代谢层面阐明优良等位的增效机理，结合群体演化解析证实该优异基因在玉米驯化中被人工负向筛选丢失，完善现代玉米低蛋白的进化成因；
首次证实 THP3-T 与 THP9-T 存在代谢上下游协同效应，双基因聚合实现蛋白超累加提升，并成功改良国内主栽品种郑单958，为高蛋白饲料玉米育种提供可靠基因资源与落地育种方案。
参考文献
Huang Y, Zhu Y, Cui Y, et al. Teosinte alleles enhance nitrogen assimilation and seed protein in maize. Nature. Published online June 3, 2026. doi:10.1038/s41586-026-10575-8