THP3-T和THP9-T这两个源自野生玉米的高蛋白主效基因，“携手”可大幅提升玉米蛋白含量，为我国饲用豆粕减量替代、降低大豆进口依赖提供核心科技支撑
若全国饲用玉米蛋白含量达到12%以上，所增加蛋白总量相当于3000多万吨进口大豆，约占进口大豆总量的30%，实现缓解我国蛋白饲料粮供需矛盾的科研目标
文 |《瞭望》新闻周刊记者 扈永顺
玉米野生祖先蛋白含量高达30%，但在9000年的驯化中，这个优势基因丢失了。
近期，中国科学院分子植物科学卓越创新中心（下称“分子植物卓越中心”）科研团队联合国内其他团队，成功定位并克隆出玉米高蛋白基因THP3-T。2022年，团队已“找回”控制高蛋白的另一关键基因THP9-T。
这两个源自野生玉米的高蛋白主效基因，“携手”可大幅提升玉米蛋白含量，为我国饲用豆粕减量替代、降低大豆进口依赖提供科技支撑。
豆粕的蛋白质含量稳定在40%～50%，是畜禽饲料的核心蛋白源。受耕地资源约束，我国大豆对外依赖度达80%，以2025年为例，进口大豆超过1亿吨。玉米是我国第一大粮食作物，年产量约3亿吨，提升玉米蛋白含量，是替代进口豆粕、实现饲料蛋白自主可控的最优路径之一。
分子植物卓越中心巫永睿、王海海科研团队锚定国家战略需求，坚持原始创新，14年深耕野生玉米种质资源挖掘。中国科学院院士、分子植物卓越中心主任韩斌介绍，依托找回的这两个高蛋白主效基因，经团队改良后的国内玉米主栽品种亲本蛋白含量可提升至14%以上，远高于我国玉米普遍8%左右的蛋白含量。
从野生玉米中挖掘稀有基因，从难度看是一个长周期的项目；找到基因后，需要从品种改良、种植标准制定到饲用配方测试，打通“从0到1”全链条，意味着这是一个全链条项目；14年持续耕耘，离不开团队的科研眼光与使命担当，更离不开国家级项目长周期稳定经费持续赋能，以及中国科学院硬核基础科研条件全面托底。
近日，记者走进团队，从寻找丢失基因的幕后故事中发掘科研人员把论文写在大地上的密码，从玉米主栽品种蛋白含量一点点提升的过程中，感受把粮食安全主动权牢牢握在中国人自己手里的科研力量。
耗时十四年找回丢失的高蛋白基因
培育高蛋白玉米，关键是找到优异的高蛋白基因。
研究发现，玉米的“祖先”——大刍草（野生玉米），有高达30%的蛋白质含量。在漫长的人工驯化过程中，人类的选择侧重产量性状，没有针对蛋白含量定向选择，玉米慢慢丢失了控制高蛋白生产的基因。
2012年，巫永睿完成博士后研究，将目光投向大刍草，确定寻找玉米高蛋白基因的研究方向，“找回已经丢失的基因，困难重重。”巫永睿说。
一是技术复杂度高。野生玉米和现代玉米的基因组变异相当大，两者之间的遗传变异甚至大于人类与黑猩猩之间的差异。这种巨大的跨度导致两者的基因比对和对应关系非常复杂，需要进行大规模高蛋白遗传群体多轮测序验证，逐步缩小候选基因区间，才能锁定目标主效基因。
二是基因组组装难度大。野生玉米基因组高度杂合、序列结构复杂，常规测序技术难以完成高质量的单倍体基因组拼装，必须结合三代测序与三维基因组技术，搭建出可用于基因定位的参考基因组，技术摸索周期长，时间成本高。
三是识别难度大。无论是THP9-T，还是THP3-T，在现代玉米品种中的出现频率极低，属于稀有的野生变异，常规的基因挖掘方法极易将其遗漏。
缺乏前人经验，团队从零做起，一边推进繁重的田间授粉取样，一边在实验室进行复杂的基因学、分子生物学及蛋白酶学分析。
十年间，团队提取超过4万个玉米样本的DNA进行基因型鉴定、测定超过2万个样本的蛋白含量并进行表型分析、进行三次大规模高蛋白遗传群体测序，联合国内其他团队破解了高度复杂的野生玉米基因组，为高蛋白基因定位和克隆奠定基础；连续创制超过10代的遗传材料，构建起野生玉米和普通玉米的高世代近等基因系群体，给寻找高蛋白基因搭建干净的“对照实验台”；2022年，终于把野生玉米中极其复杂的遗传背景“洗”干净，找到并提取出已丢失的高蛋白基因THP9-T。
团队将THP9-T杂交导入玉米主栽品种郑单958中，蛋白含量提升至约11%，实现初步跨越。但团队并未满足：面对难度与复杂度指数级增长，开启寻找控制蛋白含量的下一个基因。
越是隐匿的基因，在现代玉米中的存在频率越低，也更难捕捉。为从海量种质资源中精准识别出下一个稀有基因，巫永睿带领团队又接续奋战了四年。他将挖掘THP3-T的历程简述为三步。
第一步，利用基因测序技术对群体材料进行重测序，进行海量数据精准比对。
第二步，通过精细定位技术，从大量干扰位点中剥离出目标基因的真正表型效应，逐步缩小目标基因所在的染色体区间，将目标基因精准锁定在特定遗传位点上。
第三步，运用图位克隆技术，精准区分功能正常的THP3-T和无增效作用的栽培型等位基因，最终完成功能基因的分离，克隆出第二个高蛋白主效基因THP3-T。
团队将基因导入玉米材料中，结果显示，该优异基因在不影响产量的前提下，可将自交系的籽粒蛋白含量提升至13%以上，同时提高全株蛋白含量，并赋予植株在低氮条件下保持生物量及蛋白含量的氮高效特性。
找回玉米高蛋白的关键密码，意味着玉米本身更“有营养”，而且少施肥也能长得好：大面积推广后，每年能减少对进口大豆的依赖。
在中国科学院分子植物科学卓越创新中心位于上海松江的一处农场，王海海研究员给改良后的玉米实施授粉（2026 年 6 月 2 日摄） 金立旺摄 / 本刊
全产业链把控核心技术落地精度
找到高蛋白基因，成果落地需要进行种质精准改良与适配验证，把实验室的基因成果转化为大面积推广的主栽品种，还面临品种审定、规模化供应等产业端复杂问题。
国内没有现成的高蛋白玉米全产业链成熟模式，从品种改良、种植标准制定到饲用配方测试，需要科研团队主导完成全环节的闭环验证。
例如，团队研究发现，THP3-T与THP9-T共同构成了氮同化的核心代谢中心，两者聚合后，展现出前所未有的协同增效作用——自交系籽粒蛋白含量提升至15%，远超单个基因作用；将这两个基因导入我国推广面积最大的杂交种郑单958后，籽粒蛋白含量从8.5%提升至12%～13%，全株蛋白含量从7%提升至9%以上，且不影响产量。
双基因聚合的高蛋白玉米需要在不同产区持续开展多年多点田间试验，牢牢把控核心技术的落地精度，才能避免技术在流转中出现性状“打折”，确保改良后品种的蛋白含量、产量双稳定。
团队从基因挖掘、种质改良、新品种培育，延伸到饲料加工、养殖终端等环节，构建高蛋白玉米全产业链。目前，团队已经与中国科学院亚热带农业生态研究所印遇龙院士、李凤娜研究员团队合作，开发高蛋白玉米新型饲料配方。
李凤娜介绍，经过对蛋白含量为12%～15%的高蛋白玉米营养价值、饲用价值评定，发现玉米蛋白含量增加的同时，氨基酸含量增加，氨基酸消化率不受影响，饲养价值提升；测算其具有替代猪饲料中50%～100%大豆豆粕的潜力，育肥猪阶段可实现零豆粕，并节约蛋鸡、肉鸡饲料中约10%的豆粕。在种植端，每吨高蛋白玉米的收购价比普通玉米高200元，全面推广高蛋白玉米后可显著促进农民增收。
针对海南灰蛋鸡的小规模饲养研究结果显示，在接受新型高蛋白玉米饲料喂养后，海南灰蛋鸡的产蛋率和料蛋比有显著改善，且鸡蛋的风味物质显著增加。“通俗来说，就是鸡吃得更少，产蛋率更高，能够产生更高的经济效益。”李凤娜说。
记者了解到，目前团队已利用分子标记辅助育种技术，精准改良80余个国内玉米主栽品种的亲本，改良后亲本蛋白含量可提升至14%以上。下一步，王海海说，将联合育种专家加快转化实验室成果，将已完成小范围验证的80余个品种亲本推向全国进行大规模组配实验。
团队希望达到三项目标：首先，培育出适应不同主产区的、蛋白含量大于12%的高蛋白玉米突破性品种；若全国饲用玉米蛋白含量达到12%以上，每年所增加蛋白总量相当于3000多万吨进口大豆，约占进口大豆总量的30%，实现缓解我国蛋白饲料粮供需矛盾的科研目标。第二，系统评定高蛋白玉米饲用营养价值，开发并测试饲用配方。最终，提出高蛋白玉米的豆粕减量替代应用技术方案，助力农业可持续发展。
科研保障“定心丸”
对巫永睿而言，重复枯燥地做实验、风吹日晒的田间劳作是家常便饭。14年科研过程中，他的压力来自两方面：一是担忧被国外竞争者抢先发表成果，二是怕长期无重大成果动摇团队信心。中国科学院及分子植物卓越中心等提供的保障机制，给团队吃下“定心丸”。
长周期稳定经费持续赋能。巫永睿团队先后得到中国科学院战略性先导科技专项（A类）以及（B类）“高蛋白高油植物挖掘利用及大豆减替应用”的支持。巫永睿还获得国家自然科学基金委包括优秀青年基金和国家杰出青年科学基金的资助。多层次、跨周期国家级项目稳定经费供给，让团队无需为科研周转资金分心，心无旁骛开展长线种质挖掘与基因解析研究。
硬核基础科研条件全面托底。分子植物卓越中心为团队搭建蛋白含量高通量专业化检测平台，提供高标准田间试验基地；依托中心运营的植物性状形成与塑造全国重点实验室，持续保障应用基础研究稳定开展，鼓励科研人员自主布局面向国家粮食安全重大需求的原创课题。分子植物卓越中心党委副书记（主持工作）张余介绍，中心硬件平台、实验室体系全面向长周期攻关课题组倾斜，降低基础研究试验门槛。
适配长线科研的差异化评价机制。中心建立五年周期课题组综合评估体系，摒弃短期论文数量导向，充分包容基础研究“从0到1”的长攻关周期，引导科研人员紧扣产业真实需求深耕应用基础研究。
为加速实验室成果落地，团队持续深化与全国育种单位协同合作，构建“基础基因挖掘+商业化品种选育”联动模式。团队利用分子标记精准将双高蛋白基因导入各育种单位培育的优良品种，待籽粒蛋白稳定突破12%后交付育种专家，由育种团队开展大田多环境综合性状筛选，确保改良玉米在蛋白提质的同时，稳产、抗逆等原有优良农艺性状不衰减。
巫永睿说，目前团队仍在克隆另外4个野生玉米高蛋白主效基因，五年目标是使郑单958亲本自交系籽粒蛋白含量达到20%以上，杂交种达到15%以上。■