玉米是全球最重要的粮食、饲料和能源作物之一。除籽粒用途外，玉米全株也是反刍动物饲草生产中的重要原料。然而，在现代玉米改良过程中，长期选择高产、高淀粉和高生物量等性状，使得蛋白含量相对较低，限制了其饲用营养价值。如何在兼顾产量和生物量的同时提高玉米籽粒及全株蛋白含量，是作物遗传改良和饲草玉米育种中的重要问题。

植物蛋白的积累是一个复杂的系统工程，依赖于氮素的吸收、同化、运输与再分配。过去的研究多聚焦于根部氮吸收或籽粒蛋白合成，而氮素在植物体内长距离运输的“中间流”过程——即氮素代谢物如何通过茎部维管束进行组织间分配，长期以来一直缺乏深入的机制解析。玉米茎部结构复杂、木质化程度高，传统的组学方法难以解析其空间异质性，这使得我们对氮素在茎部维管束中的“调度”机制知之甚少。茎秆连接根、叶和果穗，是有机氮长距离运输和组织间分配的重要通道。因此，解析茎秆中氨基酸转运和氮分配的遗传基础，对于提高玉米全株蛋白积累具有重要意义。

野生玉米及其近缘材料保存了许多现代玉米中被弱化或丢失的优异等位基因，是高蛋白和氮高效性状改良的重要基因库。本研究以高蛋白野生玉米材料 Ames21814 和现代栽培玉米 B73 为研究对象，系统解析和挖掘野生玉米高蛋白性状形成的空间分子机制和关键遗传位点。

为了破解这一难题，黄永财团队及合作者整合空间转录组学与空间代谢组学技术，对玉米茎部进行了高分辨率的空间解析。研究发现，玉米茎部并非被动的运输管道，而是一个活跃的“代谢调节点”。在野生玉米 Ames21814 中，茎部维管束区域表现出极强的氨基酸转运与代谢特征，这种高效运输流动的代谢特征是其高蛋白表型的关键驱动力。通过将空间组学数据与QTL 定位结果进行深度整合，研究人员在玉米第10号染色体上锁定了一个由4个氨基酸转运蛋白基因组成的串联重复基因簇——WHP10。

研究进一步揭示了 WHP10 的独特调控机制。群体遗传学分析显示，该基因簇在玉米驯化过程中经历了明显的选择，导致了现代玉米中该区域顺式调控多样性的丧失。WHP10 在野生玉米茎秆维管相关区域表现出更高表达，而这种表达差异与启动子区域的插入/缺失变异（InDel）等顺式调控变异密切相关。在亚细胞水平上，功能验证成员 WHP10⁶⁴ 显示出以内质网为主的定位特征。酵母互补实验证实，WHP10 对天冬酰胺、天冬氨酸和谷氨酸等多种关键氨基酸具有转运活性。

为了验证其育种价值，研究团队通过近等基因系（NILs）和过表达实验，证实 WHP10 野生等位基因能够显著提升玉米籽粒及全株的蛋白含量。令人振奋的是，这种提升是在不牺牲产量的前提下实现的。进一步的生化分析显示，WHP10 的高表达显著增加了叶片和茎部中天冬酰胺、谷氨酰胺和谷氨酸等关键氨基酸的含量，从而优化了氮素在植物体内的分配格局。

研究团队首先对野生玉米 Ames21814 和自交系 B73 的茎秆横切面进行空间转录组分析，并结合解剖结构将茎秆划分为韧皮部相关区域、木质部相关区域、基本组织、表皮、下皮组织和分蘖芽/雌穗原基等主要区域。结果发现，野生玉米 Ames21814 在维管相关区域显著富集氨基酸转运、跨膜转运和有机氮代谢相关基因，提示其茎秆具有更强的有机氮流动和氨基酸分配能力。

图1 空间转录组解析玉米茎秆组织结构及野生玉米维管区氨基酸转运特征。

2. 空间转录组与空间代谢组融合分析揭示野生玉米维管相关区域存在协同增强的氮转运与代谢特征

为了进一步验证转录组变化是否对应代谢层面的差异，研究团队将空间转录组和空间代谢组进行点对点整合。结果显示，Ames21814 中富集氨基酸转运和跨膜转运基因的区域，同时也富集更多氨基酸及含氮代谢物，包括谷氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺和谷氨酰胺等。转录组功能信号与代谢物空间分布的高度一致表明，野生玉米茎秆维管相关区域具有更强的氨基酸转运和有机氮分配能力。

图2 空间转录组与空间代谢组融合分析揭示野生玉米茎秆中氨基酸和含氮代谢物的空间积累。

3. 群体定位联合空间表达锁定氨基酸转运串联基因簇WHP10

研究团队构建了 B73 × Ames21814 的 BC₂S₃ 群体，并对茎秆蛋白含量和生物量进行 QTL 定位，在 10 号染色体上鉴定到一个控制茎秆蛋白含量的主效位点，命名为 Whole-plant High Protein 10，WHP10。进一步结合空间转录组表达矩阵，研究锁定了该区间内由  4 个 AAAP 家族氨基酸转运基因组成的串联重复基因簇，即 WHP10⁶⁴、WHP10⁶⁵、WHP10⁶⁶ 和 WHP10⁶⁷。近等基因系表明，来自 Ames21814 的 WHP10 单倍型能够随导入片段/基因簇组成的增加逐步提高茎、叶和籽粒蛋白含量，说明该位点基因簇具有叠加效应。

图3 QTL 定位和空间表达整合鉴定 WHP10 基因簇。

4. 自然变异分析揭示 WHP10 经历驯化相关选择并影响蛋白含量

通过比较现代玉米自交系与野生近缘种，研究发现 WHP10 串联簇区域存在一定的驯化相关选择信号。核苷酸多样性分析显示，从野生近缘种到地方品种再到现代自交系，WHP10⁶⁴–WHP10⁶⁶ 尤其是启动子近端区域的遗传多样性逐步降低，提示启动子变异可能是调控 WHP10 表达差异的重要基础。双荧光素酶实验表明，Ames21814 来源的 WHP10⁶⁴ 启动子活性显著高于 B73。携带 Ames21814 来源 WHP10⁶⁴ 等位基因的近等基因系表现出更高的生物量、茎叶蛋白含量、全株蛋白积累和籽粒蛋白含量，且主要籽粒产量构成相关指标未受到显著影响。

图4 WHP10 受到驯化选择，其野生等位基因提高蛋白含量且未显著影响主要产量构成性状。

5. 功能实验表明WHP10⁶⁴ 具有多种氨基酸转运活性

为了明确 WHP10⁶⁴ 的分子功能，研究团队开展了亚细胞定位、酵母氨基酸吸收缺陷株互补实验和空间代谢验证。酵母液体培养和点板实验显示，WHP10⁶⁴ 能够恢复氨基酸吸收缺陷型酵母在多种代表性氨基酸作为唯一氮源条件下的生长，说明其具有多底物氨基酸转运活性。结合空间代谢组结果，Ames21814 茎秆维管相关区域中多种代表性氨基酸含量更高，与 WHP10⁶⁴ 的转运功能相吻合。

图5 WHP10⁶⁴ 具有多种氨基酸转运活性并与茎秆氨基酸积累相对应。

6.突变体和过表达验证WHP10⁶⁴ 正向调控全株蛋白积累

研究团队进一步利用突变体 aaap64 和过表达 WHP10⁶⁴ 材料验证其生物学功能。aaap64 突变体表现出生长势下降、生物量降低、根茎叶蛋白含量、全株总蛋白积累和多种氨基酸水平下降；相反，WHP10⁶⁴ 过表达株系表现出更高的株高、生物量、根茎叶蛋白含量、全株总蛋白积累以及更高的多种氨基酸水平。在籽粒中，WHP10⁶⁴ 过表达提高籽粒蛋白含量，但对百粒重、穗粒数和单穗粒重等主要产量构成性状未产生显著负面影响。

图6 遗传功能验证表明 WHP10⁶⁴ 促进氨基酸积累和全株高蛋白性状。

研究意义

该研究的意义不仅在于解析了玉米氮素分配的复杂机制，更在多个层面为作物改良提供了深远启示：

在理论层面，该研究深化了对植物氮素运输机制的理解。过去的研究多聚焦于氮素的“源”与“库”，而本研究强调茎秆维管相关组织是氮素分配的“关键调节节点”，揭示了以 WHP10 基因簇介导的氨基酸转运，在维管束这一“交通枢纽”处实现氮素的高效调度。这一发现不仅丰富了植物氮素运输的理论体系，也为理解植物体内氮素的“源-库”动态平衡提供了全新的空间视角。

在进化与驯化层面，该研究揭示了作物驯化过程中的遗传多样性降低现象。通过群体遗传学分析，我们发现 WHP10 基因簇在玉米驯化过程中呈现明显的选择信号，导致了现代玉米中该区域顺式调控多样性的降低。这一发现为理解现代玉米改良过程中蛋白含量相对降低的遗传基础提供了新的线索。通过挖掘这些在驯化过程中被弱化的野生优异等位变异，我们为提升作物蛋白含量和营养品质提供了重要遗传资源。

在应用层面，该研究为缓解我国饲料蛋白供给压力提供了新的遗传资源和育种思路。当前，我国蛋白饲料供给仍面临较大压力，对进口大豆依赖度较高。本研究鉴定出的 WHP10 基因簇能够提高玉米全株及籽粒蛋白积累，并在本研究测试条件下未显著影响主要籽粒产量构成性状。这为培育高蛋白青贮玉米和优质籽粒玉米提供了新的遗传靶点。

继团队前期在克隆野生玉米高蛋白基因 THP9 和 THP3（Nature, 2022, 2026）以及揭示质体小球区室化调控玉米氮素利用效率（Nature, 2026）方面取得突破后，本研究进一步从空间维度解析了玉米氨基酸转运和有机氮分配的分子遗传基础。未来，通过将 WHP10 优异单倍型与氮素利用效率、生物量和高蛋白相关位点进行聚合育种，有望培育适应不同生态区的高蛋白、氮高效玉米新种质。该研究对于提升玉米饲用营养价值、降低我国对进口蛋白饲料的依赖、保障粮食与饲料安全具有重要现实意义。