3份氮高效利用基因转基因杂交玉米产量评价

朱永卉，杨 麟，何远远，何文铸

(四川省农业科学院作物研究所，四川 成都 610066)

1 前言

玉米是我国重要的粮食、饲料和能源作物，对稳定我国粮食安全起到关键作用，近三年玉米播种面积在0.35～0.42亿hm2，占全国粮食总播种面积的31.59%～35.99%(国家统计局)，是近年播种面积第一大作物，是我国粮食增产，农民增收的主力军。预计在2030年，我国玉米总需求量将达到3.03亿t，在粮食刚性需求不断增加及耕地面积减少的双重压力下，依靠玉米保障粮食安全任务艰巨[1]。

目前，玉米增产的主要贡献因素是增加有效种植面积和在生产中投入大量化肥，氮肥在增产作用中起到关键作用。氮是蛋白质、核酸、叶绿体、酶等重要组成元素，正向调控植物生命活动和生理活动。植物通过吸收土壤中有机氮(氨基酸、多肽)和无机氮(NH4+和NO3-)来维持自身的生长发育，并且可根据土壤环境吸收不同形态的氮素，NH4+和NO3-是高等植物吸收氮素的主要形态[2-5]。玉米植株高大，生物产量高，对氮肥需求大，玉米缺氮会导致植株矮小、叶片发黄，出现早衰等现象，严重影响玉米产量及品质。近些年研究表明，我国玉米生产氮肥利用效率只有30%～40%[6-7]，低于世界水平40%～60%[8]，所以生产上通过不断提高氮肥施用量保障玉米产量。增施氮肥可以短时间缓解土壤养分不足和氮肥利用效率低等问题，而施用过多氮肥或者施用方法和时期不佳，会因倒伏及病虫害出现，最终导致玉米减产。同时，土壤中大量氮肥残留会释放到环境中造成生态环境污染，严重影响农业的持续发展。

转基因是一种将已知的功能基因通过分子生物学手段转入特定生物中的现代生物技术，是科学技术进步产物。由于其针对性强、效率高，目前被广泛应用于医药、工业、农业等领域，特别是在农业领域被广泛应用。转基因技术通过定向转移基因实现基因重组，可以实现不同物种之间基因转移，拓宽了遗传资源利用，获得人类期望的特定性状，为获得高产、高抗、优质农作物新品种培育提供了有利的技术手段。转基因作物发展最为迅速，目前培育出了一批具有抗虫、抗病及抗除草剂等高抗性状的转基因作物。例如，将抗除草剂基因(如草甘膦)转入农作物中，用草甘膦除草时可有效去除杂草，降低除草成本，不影响作物生长，提高种植效益[9]。

随着转基因技术不断发展与进步，具有氮高效利用的转基因作物纷纷面世。例如将烟草中硝酸还原酶基因(NR)转入小麦后得到转基因小麦植株比普通小麦具有更高的硝酸还原酶活力，显著提高了小麦对氮素利用效率，提高籽粒中的蛋白质含量和千粒重。籼稻硝态氮转运蛋白基因(NRT1.1B)转入粳稻中可以提高其氮利用效率，增加粳稻产量。水稻中编码高亲和硝酸盐转运蛋白OsNRT2.3b基因在水稻中高表达，显著提高氮素利用率，与亲本水稻相比其单株产量增加了近30%，其中根、茎、叶和籽粒中氮含量更高[10]。转氨基酸通透酶1(AAP1)可以提高玉米对游离氨基酸吸收及转运，从而提高氮的利用效率[11]。

综上所述，氮高效利用基因转基因作物可以有效提高作物氮利用效率及产量。本试验将含Gs、Df、Ap氮高效利用基因转基因玉米材料通过回交，转育到西南骨干自交系A，与西南骨干自交系B组配出3份分别具有Gs、Df、Ap氮高效利用转基因玉米杂交组合，在不同的氮肥条件下，评估氮高效利用转基因杂交玉米产量。

2 研究内容

以含Gs、Df、Ap氮高效利用基因的转基因西南区骨干系A为母本，与西南区骨干自交系B杂交，组配出氮高效利用基因转基因玉米杂交组合材料3份(表1)，在养分池中进行高(100%N)、中(70%N)、低(0%N)氮处理，以受体(A×B)和成单30为对照，对小区籽粒产量进行分析。

表1 参试组合信息

3 结果分析

根据表2结果，中氮肥处理下3个转基因参试组合产量变幅为545.5～556.3kg/667m2，转基因参试组合平均产量为550.9kg/667m2，受体对照产量为515.1kg/667m2。与受体对照产量比较，3个转基因参试组合均增产，增产变幅在5.9%～8.0%，增产幅度最低为5.9%，最高为8.0%，平均增产率为6.9%。其中A(Gs/)×B增产率5.9%，A(Ap/)×B增产率是6.9%，A(Df/)×B增产率8.0%。与成单30比较，3个氮高效利用转基因组合均增产，增产幅度在2.8%～4.9%。

表2 不同氮素水平下参试组合产量比较 (kg/667m2)

低氮肥处理下，3个转基因参试组合变幅为527.0～560.9kg/667m2，氮高效转基因杂交组合平均产量539.3kg/667m2。受体对照产量为445.3kg/667m2，3个氮高效利用转基因玉米杂交组合较受体对照均增产，增产幅度为18.3%～26.0%，平均增产21.1%。其中，A(Df/)×B产量最高，比受体对照增产26%，A(Gs/)×B产量为527.0kg/667m2，比受体对照增产18.3%。与成单30比较，3个转基因参试组合产量均增产，平均增产率为13.1%。

4 讨论与展望

通过比较3个氮高效利用基因转基因玉米杂交组合与2个对照在不同氮肥条件籽粒产量，结果表明中氮肥和低氮肥条件下，3个氮高效利用基因转基因玉米杂交组合均增产，且低氮胁迫下籽粒产量增产率大于中氮胁迫下籽粒产量增产率。本试验的结果表明，转氮高效利用基因玉米杂交组合能够更好促进氮吸收、利用及转化，具有减氮稳产潜力。

全国范围地势地貌复杂，各生态区气候和土壤肥力差异较大。西南地区是我国玉米第三大主产区，玉米是该区主要的粮饲作物，播种面积约占全国总播种面积的14.1%，总产量约占全国11.4%[12]。西南山地丘陵和高原土地面积占90%，季节性干旱及水土流失频繁发生，土壤瘠薄，加剧了玉米养分不平稳问题[13]。播种面积增加及生产中投入大量化肥是玉米持续增产的主要因素，而全国耕地面积有限，未来难以通过增加播种面积增加玉米产量，而大量投入化肥导致生产成本增加，从而导致玉米纯利润下降。在播种面积和化肥投入比例一定的情况下，提高玉米产量的有效途径是提高氮肥等利用效率。

玉米品种之间对氮肥吸收、转运及利用存在显著差异，主要是因为不同基因型玉米对氮肥的利用率不同。玉米品种之间基因型差异达到了89%，对氮肥利用率差异达到了52%[14]。根据同等氮肥条件下氮肥的利用效率，将玉米基因型划分为氮肥敏感型、中间型和不敏感型[15]。早在20世纪80年代，有研究表明在相同的氮胁迫条件下，氮利用率高的基因型同时也是高产基因型[16]。而在相同的氮肥条件下，不同基因型的甜玉米氮素积累及利用率差异显著[17]，这说明玉米品种之间对氮肥吸收的差异主要是由品种遗传特性决定。

由此可见，基因型差异是导致玉米氮肥利用效率差异的主要原因，通过转基因技术在玉米中转入氮高效利用基因以提高氮肥利用效率是玉米稳定增产的有效途径，同时还可以降低生产成本、减缓因过量施用氮肥造成生态环境污染。