Nature Commun | 華中農業大學嚴建兵團隊發現一個能夠同步提升玉米產量與蛋白質含量的關鍵基因

基因到營養：TPP代謝解鎖高產高蛋白玉米新路徑

當前，全球氣候變化、極端天氣頻發以及人口持續增長，對全球糧食安全構成了嚴峻挑戰。在有限的耕地上實現更高的作物產量和更高的營養品質，已成為全球農業可持續發展亟需解決的核心問題。作物中“高產”與“高蛋白”往往存在此消彼長的矛盾，如何同時兼顧兩者，是現代育種長期面臨的科學難題。玉米作為世界范圍內最重要的糧食與飼料作物，其產量和籽粒蛋白含量的同步提升對保障全球糧食與營養安全具有戰略意義。

近日，華中農業大學嚴建兵教授團隊在Nature Communications上發表了題為Optimizing thiamine pyrophosphate metabolism enhances crop yield and quality的研究論文。該研究鑒定并功能解析了一個能夠同步提升玉米產量與蛋白質含量的核心基因，為“高產高蛋白”玉米培育提供了重要靶標基因。該成果不僅突破了作物產量和品質難以兼得的傳統瓶頸，也為代謝工程提供了新的解決方案。

揭示玉米穗長遺傳基礎：主效QTL-qKB6.2a 的克隆與關鍵自然變異解析

前期課題組利用玉米短果穗自交系KUI3與長果穗自交系B77構建的RIL群體，在玉米第6染色體上定位到主效穗長QTL- qKB6.2a，并通過多年多點的精細定位，最終確定編碼硫胺素焦磷酸激酶的ZmTPK2為目標基因。進一步分析發現，ZmTPK2啟動子與其上游41.8 kb的遠端順式調控元件（cis-regulatory element, CRE）存在遠端互作，且二者染色質狀態均處于開放狀態。進一步測序發現啟動區及CRE區存在SNP和Indel變異。雙熒光素酶實驗表明，不同來源的啟動子與CRE對顯著影響ZmTPK2表達，其中KUI3來源的CRE對其自身啟動子具有增強作用。點突驗證進一步確認啟動子區的兩個關鍵SNP（-362 C / T、-480 A / G）以及CRE中的一個插入突變（AAAAT）和一個SNP（T / C）均可顯著提升啟動子活性。綜上，啟動子與CRE的變異協同決定了ZmTPK2的表達差異，是qKB6.2a穗長變異的原因，該結果為解析玉米穗長形成機制及挖掘優良自然等位基因提供了重要依據。

圖1 玉米穗長主效 QTL，qKB6.2a的克隆

ZmTPK2如何塑造高產高蛋白玉米：基因功能與調控機制全解析

ZmTPK2具有顯著的表達劑量效應：敲除或過量表達均導致產量下降，而適度表達可顯著提升穗長、行粒數和穗重。在自然群體中，來源于B77的Hap1單倍型具有適中表達水平和明顯產量優勢，進一步說明ZmTPK2的精細表達調控對玉米穗長和產量形成至關重要。ZmTPK2蛋白定位于細胞質，具有典型的TPK酶活性，可催化硫胺素生成TPP。ZmTPK2表達水平直接影響TPP含量及核心代謝通路活性：適度表達的材料表現為 TPP含量升高、三羧酸循環與卡爾文循環增強；而敲除及過量表達材料則表現TPP含量下降，代謝紊亂。外源噴施0.04%TPP溶液可完全恢復突變體的短穗表型，進一步驗證了其調控關系。代謝組與營養成分分析表明，適度表達的ZmTPK2可提升蛋白質含量1.1個百分點，同時保持淀粉水平穩定，實現“高產高蛋白”的協同改良?；谏鲜鼋Y果，構建了“ZmTPK2–TPP–能量代謝–穗長與蛋白積累”的調控模型，為玉米高產高蛋白分子育種提供了理論支撐。

從基因到田間的雙路徑增產策略：ZmTPK2自然變異與外源TPP的協同應用

ZmTPK2在自然群體中蘊含關鍵的優良變異，但極其稀有，目前僅在自交系B77中檢測到。分別利用qKB6.2aKUI3和qKB6.2aB77與商業骨干自交系分別構建雜交組合F1, 結果顯示，攜帶qKB6.2aB77 等位基因的F1雜交種穗長增加 4.3%–8.7%、產量提升7.4%–14.2%，且不影響其它農藝性狀，暗示ZmTPK2優良等位基因在雜交育種中具有潛在的育種價值。同時，我們在玉米、水稻和油菜等作物上開展外源TPP噴施試驗，也獲得了穩定的增產效果，在不同作物中增產 4.5%–9.8%。以上結果表明，從“利用ZmTPK2優良自然變異”到“田間施用外源TPP”，TPP代謝路徑為主要作物提供了一條兼具遺傳改良與田間管理的創新增產新方案，具有廣闊的推廣價值與應用前景。

圖2外施TPP顯著增加玉米、水稻和油菜產量

該研究由華中農業大學兩位畢業博士生羅蕓（現為康奈爾大學博士后）和劉喻（現為華中農業大學博士后）共同完成，嚴建兵教授為通訊作者。該研究工作得到國家自然科學基金、中國博士后科學基金、湖北省自然科學基金以及 111 計劃“作物基因組學與分子育種創新引智基地”的資助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-66882-7