与小麦和水稻等其他主粮作物相比，玉米对氮肥的需求量要大得多。通过施用氮肥来满足玉米对氮的需求，会增加玉米生产成本并对环境产生不利影响。2018年，美国的一项研究发现，源自墨西哥瓦哈卡州塞拉米斯地区的古老玉米地方品种，可以通过其气生根粘液内的细菌进行生物固氮，标志着一种不同于根瘤固氮的生物固氮新途径(van deynze et al., 2018)。该地方品种的特性是会分泌大量的粘液，进而创造一个低氧、富糖的环境，促进重氮营养细菌的生长。然而，由于该地方种生长周期长（为8- 9个月），株高太高（为4.88-6.00米）等因素，其并不适合现代农业的需求。
为了研究现代玉米中是否保留有气生根粘液固氮的特性，吴建宇团队对258个玉米自交系进行气生根粘液(arm)的田间调查（图1）。发现arm分泌现象在现代玉米中很常见，但分泌能力的差异较大。而且只有少数自交系保留了古老地方品种的固氮特性，即粘液同时拥有较大的分泌量、较高的固氮酶活和丰富的固氮细菌。通过全基因组关联分析结合连锁分析鉴定出一个arm分泌关键基因zmsbt3，该基因属于枯草酶蛋白酶家族，利用基因编辑敲除实验证实其负调节arm分泌（图2）。值得注意的是，在无氮培养条件下，zmsbt3敲除系的生物量和总氮积累量均有所增加。高arm与zmsbt3的一种优良单倍型相关，这种单倍型在玉米驯化过程中逐渐消失，仅在少数现代自交系中保留。综上所述，研究结果确定zmsbt3是增强玉米气生根粘液和固氮的潜在工具。该研究为现代玉米固氮品种的选育奠定了基础，也开辟了禾本科作物生物固氮的新途径。
图1 zmsbt3基因敲除显著提升了气生根粘液的分泌量及固氮能力
图2 无氮条件下zmsbt3敲除系幼苗的生物量与总氮含量显著高于野生型b104
吴建宇团队长期从事玉米遗传育种相关工作，在玉米与微生物及环境互作的遗传机制解析及关键基因挖掘利用等领域开展了系统的研究。本研究为玉米的固氮品种选育提供了重要的基因资源和理论基础。博士生高景阳为该论文第一作者，吴建宇和青年教师周子键为通讯作者。该研究得到了河南农业大学专项基金与省部共建小麦玉米作物学国家重点实验室的资助支持。
编辑/周子健 审核/郑文明
