北京时间2026年11月11日，国际学术期刊《细胞》在线发表中国科学院分子植物科学卓越创新中心晁代印团队和华中农业大学严建兵团队合作完成的最新成果，题为“Nicotianamine-driven Nickel Transport to Sink Organs Underpins Maize Productivity”。
该研究首次鉴定出调控禾本科作物籽粒镍积累的关键转运蛋白ZmNAET1，揭示植物特有非蛋白氨基酸烟胺（Nicotianamine，NA）介导镍从茎叶等源器官长距离转运至籽粒等库器官的分子机理，阐明依赖镍发挥作用的脲酶活性在氨基酸代谢、种子活力维持与产量形成过程中的重要功能。
1840年，植物营养学奠基人李比希提出作物产量“最小养分律”，即作物生长水平，由供给量最为短缺的养分决定。这一理论常被通俗概括为“木桶原理”。作物产量不仅由氮、磷、钾等大量元素决定，镍这类微量元素，同样可能成为制约产量的“短板”。自半个世纪前科研人员证实镍在植物体内具备生理功能以来，镍的转运机制及其调控基因，一直是植物微量元素营养领域悬而未决的核心谜题，镍在作物中的功能价值也始终未能得到清晰阐释。
研究依托包含1404份玉米材料的人工合成群体多年多点表型数据，借助全基因关联分析锁定ZmNAET1基因。研究证实，ZmNAET1调控区的自然变异能够影响籽粒镍积累水平，高表达基因型材料籽粒镍含量可提升约60%，意味着该基因存在可服务育种的天然遗传变异。进一步解析显示，ZmNAET1在镍转运通路中扮演关键“出口”作用，主要定位于茎节、穗柄韧皮部细胞，负责将胞内合成的烟胺转运至胞外。烟胺在胞外与游离镍结合形成Ni-NA复合物，再经由其他转运蛋白载入韧皮部，输送至籽粒等库器官。
遗传学试验表明，ZmNAET1不仅控制玉米籽粒的镍含量，还通过影响镍的转运控制穗重、籽粒大小、淀粉积累及种子储藏后的发芽能力。当这个基因功能受损时，玉米籽粒镍含量显著下降，穗重、籽粒大小、淀粉含量和储藏后发芽率也同步下降。突变体种子储藏8个月至1年后发芽能力明显衰减，外源补充镍可恢复发芽，补锌则无效果。田间叶面喷施镍，也能恢复因该基因功能受损而降低的株高和脲酶活性。研究还发现，镍转运受阻会造成籽粒等库器官的脲酶活性下降、尿素利用受阻，氨基酸合成和能量代谢随之受影响，从而证明镍转运关联着氮代谢、产量形成和种子活力。
NA介导镍源库长距离运输调控玉米产量与种子活力模式图
科研团队同步在水稻中鉴定得到同源基因OsNAET1、OsNAET2，发现它们也是水稻籽粒镍积累的关键控制基因，证明这一机制在禾本科作物中具有保守性。不同于模式植物拟南芥同源基因主要调控铁、铜、钴转运，玉米、水稻NAET1优先调控镍以及少量锌的体内分配，体现出禾本科与双子叶植物在金属长距离运输策略上的分化。
长期以来，学界普遍认为禾本科植物镍需求量低，生产上镍缺乏现象少见。该研究首次找到禾本科植物镍长距离运输的关键基因，明确烟胺可独立于经典麦根酸途径，介导镍向库器官分配，填补了镍源库转运机制研究长期存在的空白，更新了禾本科植物镍营养的传统认知。该项成果不仅首次提供了镍作为植物必需微量元素的遗传学证据，完善教科书关于镍转运机制的内容，也为通过营养调控、分子育种技术提升禾本科作物产量、强化种子活力开辟了新路径。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心晁代印研究员、华中农业大学严建兵教授为共同通讯作者；中国科学院分子植物科学卓越创新中心已出站博士后晁振飞（现为德国莱布尼兹植物遗传与作物研究所博士后）、博士研究生吴嘉琛以及华中农业大学已出站博士后陈园园（现为广东省农科院助理研究员）为共同第一作者。
论文链接（可点击左下角阅读原文）：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.10.035
文 | 杨正莲
编辑 | 杨正莲
审校 | 匡敏 徐行 杜乂旻
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