朱永卉，楊 麟，何遠(yuǎn)遠(yuǎn)，何文鑄

(四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)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(wěn)定我國糧食安全起到關(guān)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(tǒng)計局)，是近年播種面積第一大作物，是我國糧食增產(chǎn)，農(nóng)民增收的主力軍。預(yù)計在2030年，我國玉米總需求量將達(dá)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(wù)艱巨[1]。

目前，玉米增產(chǎn)的主要貢獻(xiàn)因素是增加有效種植面積和在生產(chǎn)中投入大量化肥，氮肥在增產(chǎn)作用中起到關(guān)鍵作用。氮是蛋白質(zhì)、核酸、葉綠體、酶等重要組成元素，正向調(diào)控植物生命活動和生理活動。植物通過吸收土壤中有機(jī)氮(氨基酸、多肽)和無機(jī)氮(NH4+和NO3-)來維持自身的生長發(fā)育，并且可根據(jù)土壤環(huán)境吸收不同形態(tài)的氮素，NH4+和NO3-是高等植物吸收氮素的主要形態(tài)[2-5]。玉米植株高大，生物產(chǎn)量高，對氮肥需求大，玉米缺氮會導(dǎo)致植株矮小、葉片發(fā)黃，出現(xiàn)早衰等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響玉米產(chǎn)量及品質(zhì)。近些年研究表明，我國玉米生產(chǎn)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(chǎn)上通過不斷提高氮肥施用量保障玉米產(chǎn)量。增施氮肥可以短時間緩解土壤養(yǎng)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(xiàn)，最終導(dǎo)致玉米減產(chǎn)。同時，土壤中大量氮肥殘留會釋放到環(huán)境中造成生態(tài)環(huán)境污染，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

轉(zhuǎn)基因是一種將已知的功能基因通過分子生物學(xué)手段轉(zhuǎn)入特定生物中的現(xiàn)代生物技術(shù)，是科學(xué)技術(shù)進(jìn)步產(chǎn)物。由于其針對性強(qiáng)、效率高，目前被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，特別是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)基因技術(shù)通過定向轉(zhuǎn)移基因?qū)崿F(xiàn)基因重組，可以實現(xiàn)不同物種之間基因轉(zhuǎn)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(chǎn)、高抗、優(yōu)質(zhì)農(nóng)作物新品種培育提供了有利的技術(shù)手段。轉(zhuǎn)基因作物發(fā)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(zhuǎn)基因作物。例如，將抗除草劑基因(如草甘膦)轉(zhuǎn)入農(nóng)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(zhuǎn)基因技術(shù)不斷發(fā)展與進(jìn)步，具有氮高效利用的轉(zhuǎn)基因作物紛紛面世。例如將煙草中硝酸還原酶基因(NR)轉(zhuǎn)入小麥后得到轉(zhuǎn)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(zhì)含量和千粒重。秈稻硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運蛋白基因(NRT1.1B)轉(zhuǎn)入粳稻中可以提高其氮利用效率，增加粳稻產(chǎn)量。水稻中編碼高親和硝酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白OsNRT2.3b基因在水稻中高表達(dá)，顯著提高氮素利用率，與親本水稻相比其單株產(chǎn)量增加了近30%，其中根、莖、葉和籽粒中氮含量更高[10]。轉(zhuǎn)氨基酸通透酶1(AAP1)可以提高玉米對游離氨基酸吸收及轉(zhuǎn)運，從而提高氮的利用效率[11]。

綜上所述，氮高效利用基因轉(zhuǎn)基因作物可以有效提高作物氮利用效率及產(chǎn)量。本試驗將含Gs、Df、Ap氮高效利用基因轉(zhuǎn)基因玉米材料通過回交，轉(zhuǎn)育到西南骨干自交系A(chǔ)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)基因雜交玉米產(chǎn)量。

2 研究內(nèi)容

以含Gs、Df、Ap氮高效利用基因的轉(zhuǎn)基因西南區(qū)骨干系A(chǔ)為母本，與西南區(qū)骨干自交系B雜交，組配出氮高效利用基因轉(zhuǎn)基因玉米雜交組合材料3份(表1)，在養(yǎng)分池中進(jìn)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(qū)籽粒產(chǎn)量進(jìn)行分析。

表1 參試組合信息

3 結(jié)果分析

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

表2 不同氮素水平下參試組合產(chǎn)量比較 (kg/667m2)

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

4 討論與展望

通過比較3個氮高效利用基因轉(zhuǎn)基因玉米雜交組合與2個對照在不同氮肥條件籽粒產(chǎn)量，結(jié)果表明中氮肥和低氮肥條件下，3個氮高效利用基因轉(zhuǎn)基因玉米雜交組合均增產(chǎn)，且低氮脅迫下籽粒產(chǎn)量增產(chǎn)率大于中氮脅迫下籽粒產(chǎn)量增產(chǎn)率。本試驗的結(jié)果表明，轉(zhuǎn)氮高效利用基因玉米雜交組合能夠更好促進(jìn)氮吸收、利用及轉(zhuǎn)化，具有減氮穩(wěn)產(chǎn)潛力。

全國范圍地勢地貌復(fù)雜，各生態(tài)區(qū)氣候和土壤肥力差異較大。西南地區(qū)是我國玉米第三大主產(chǎn)區(qū)，玉米是該區(qū)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(chǎn)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(jié)性干旱及水土流失頻繁發(fā)生，土壤瘠薄，加劇了玉米養(yǎng)分不平穩(wěn)問題[13]。播種面積增加及生產(chǎn)中投入大量化肥是玉米持續(xù)增產(chǎn)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(chǎn)量，而大量投入化肥導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，從而導(dǎo)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(chǎn)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(zhuǎn)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(dá)到了89%，對氮肥利用率差異達(dá)到了52%[14]。根據(jù)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(jì)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(chǎn)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(dǎo)致玉米氮肥利用效率差異的主要原因，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)在玉米中轉(zhuǎn)入氮高效利用基因以提高氮肥利用效率是玉米穩(wěn)定增產(chǎn)的有效途徑，同時還可以降低生產(chǎn)成本、減緩因過量施用氮肥造成生態(tài)環(huán)境污染。