3份氮高效利用基因轉基因雜交玉米產量評價

朱永卉，楊 麟，何遠遠，何文鑄

(四川省農業科學院作物研究所，四川 成都 610066)

1 前言

玉米是我國重要的糧食、飼料和能源作物，對穩定我國糧食安全起到關鍵作用，近三年玉米播種面積在0.35～0.42億hm2，占全國糧食總播種面積的31.59%～35.99%(國家統計局)，是近年播種面積第一大作物，是我國糧食增產，農民增收的主力軍。預計在2030年，我國玉米總需求量將達到3.03億t，在糧食剛性需求不斷增加及耕地面積減少的雙重壓力下，依靠玉米保障糧食安全任務艱巨[1]。

目前，玉米增產的主要貢獻因素是增加有效種植面積和在生產中投入大量化肥，氮肥在增產作用中起到關鍵作用。氮是蛋白質、核酸、葉綠體、酶等重要組成元素，正向調控植物生命活動和生理活動。植物通過吸收土壤中有機氮(氨基酸、多肽)和無機氮(NH4+和NO3-)來維持自身的生長發育，并且可根據土壤環境吸收不同形態的氮素，NH4+和NO3-是高等植物吸收氮素的主要形態[2-5]。玉米植株高大，生物產量高，對氮肥需求大，玉米缺氮會導致植株矮小、葉片發黃，出現早衰等現象，嚴重影響玉米產量及品質。近些年研究表明，我國玉米生產氮肥利用效率只有30%～40%[6-7]，低于世界水平40%～60%[8]，所以生產上通過不斷提高氮肥施用量保障玉米產量。增施氮肥可以短時間緩解土壤養分不足和氮肥利用效率低等問題，而施用過多氮肥或者施用方法和時期不佳，會因倒伏及病蟲害出現，最終導致玉米減產。同時，土壤中大量氮肥殘留會釋放到環境中造成生態環境污染，嚴重影響農業的持續發展。

轉基因是一種將已知的功能基因通過分子生物學手段轉入特定生物中的現代生物技術，是科學技術進步產物。由于其針對性強、效率高，目前被廣泛應用于醫藥、工業、農業等領域，特別是在農業領域被廣泛應用。轉基因技術通過定向轉移基因實現基因重組，可以實現不同物種之間基因轉移，拓寬了遺傳資源利用，獲得人類期望的特定性狀，為獲得高產、高抗、優質農作物新品種培育提供了有利的技術手段。轉基因作物發展最為迅速，目前培育出了一批具有抗蟲、抗病及抗除草劑等高抗性狀的轉基因作物。例如，將抗除草劑基因(如草甘膦)轉入農作物中，用草甘膦除草時可有效去除雜草，降低除草成本，不影響作物生長，提高種植效益[9]。

隨著轉基因技術不斷發展與進步，具有氮高效利用的轉基因作物紛紛面世。例如將煙草中硝酸還原酶基因(NR)轉入小麥后得到轉基因小麥植株比普通小麥具有更高的硝酸還原酶活力，顯著提高了小麥對氮素利用效率，提高籽粒中的蛋白質含量和千粒重。秈稻硝態氮轉運蛋白基因(NRT1.1B)轉入粳稻中可以提高其氮利用效率，增加粳稻產量。水稻中編碼高親和硝酸鹽轉運蛋白OsNRT2.3b基因在水稻中高表達，顯著提高氮素利用率，與親本水稻相比其單株產量增加了近30%，其中根、莖、葉和籽粒中氮含量更高[10]。轉氨基酸通透酶1(AAP1)可以提高玉米對游離氨基酸吸收及轉運，從而提高氮的利用效率[11]。

綜上所述，氮高效利用基因轉基因作物可以有效提高作物氮利用效率及產量。本試驗將含Gs、Df、Ap氮高效利用基因轉基因玉米材料通過回交，轉育到西南骨干自交系A，與西南骨干自交系B組配出3份分別具有Gs、Df、Ap氮高效利用轉基因玉米雜交組合，在不同的氮肥條件下，評估氮高效利用轉基因雜交玉米產量。

2 研究內容

以含Gs、Df、Ap氮高效利用基因的轉基因西南區骨干系A為母本，與西南區骨干自交系B雜交，組配出氮高效利用基因轉基因玉米雜交組合材料3份(表1)，在養分池中進行高(100%N)、中(70%N)、低(0%N)氮處理，以受體(A×B)和成單30為對照，對小區籽粒產量進行分析。

表1 參試組合信息

3 結果分析

根據表2結果，中氮肥處理下3個轉基因參試組合產量變幅為545.5～556.3kg/667m2，轉基因參試組合平均產量為550.9kg/667m2，受體對照產量為515.1kg/667m2。與受體對照產量比較，3個轉基因參試組合均增產，增產變幅在5.9%～8.0%，增產幅度最低為5.9%，最高為8.0%，平均增產率為6.9%。其中A(Gs/)×B增產率5.9%，A(Ap/)×B增產率是6.9%，A(Df/)×B增產率8.0%。與成單30比較，3個氮高效利用轉基因組合均增產，增產幅度在2.8%～4.9%。

表2 不同氮素水平下參試組合產量比較 (kg/667m2)

低氮肥處理下，3個轉基因參試組合變幅為527.0～560.9kg/667m2，氮高效轉基因雜交組合平均產量539.3kg/667m2。受體對照產量為445.3kg/667m2，3個氮高效利用轉基因玉米雜交組合較受體對照均增產，增產幅度為18.3%～26.0%，平均增產21.1%。其中，A(Df/)×B產量最高，比受體對照增產26%，A(Gs/)×B產量為527.0kg/667m2，比受體對照增產18.3%。與成單30比較，3個轉基因參試組合產量均增產，平均增產率為13.1%。

4 討論與展望

通過比較3個氮高效利用基因轉基因玉米雜交組合與2個對照在不同氮肥條件籽粒產量，結果表明中氮肥和低氮肥條件下，3個氮高效利用基因轉基因玉米雜交組合均增產，且低氮脅迫下籽粒產量增產率大于中氮脅迫下籽粒產量增產率。本試驗的結果表明，轉氮高效利用基因玉米雜交組合能夠更好促進氮吸收、利用及轉化，具有減氮穩產潛力。

全國范圍地勢地貌復雜，各生態區氣候和土壤肥力差異較大。西南地區是我國玉米第三大主產區，玉米是該區主要的糧飼作物，播種面積約占全國總播種面積的14.1%，總產量約占全國11.4%[12]。西南山地丘陵和高原土地面積占90%，季節性干旱及水土流失頻繁發生，土壤瘠薄，加劇了玉米養分不平穩問題[13]。播種面積增加及生產中投入大量化肥是玉米持續增產的主要因素，而全國耕地面積有限，未來難以通過增加播種面積增加玉米產量，而大量投入化肥導致生產成本增加，從而導致玉米純利潤下降。在播種面積和化肥投入比例一定的情況下，提高玉米產量的有效途徑是提高氮肥等利用效率。

玉米品種之間對氮肥吸收、轉運及利用存在顯著差異，主要是因為不同基因型玉米對氮肥的利用率不同。玉米品種之間基因型差異達到了89%，對氮肥利用率差異達到了52%[14]。根據同等氮肥條件下氮肥的利用效率，將玉米基因型劃分為氮肥敏感型、中間型和不敏感型[15]。早在20世紀80年代，有研究表明在相同的氮脅迫條件下，氮利用率高的基因型同時也是高產基因型[16]。而在相同的氮肥條件下，不同基因型的甜玉米氮素積累及利用率差異顯著[17]，這說明玉米品種之間對氮肥吸收的差異主要是由品種遺傳特性決定。

由此可見，基因型差異是導致玉米氮肥利用效率差異的主要原因，通過轉基因技術在玉米中轉入氮高效利用基因以提高氮肥利用效率是玉米穩定增產的有效途徑，同時還可以降低生產成本、減緩因過量施用氮肥造成生態環境污染。