玉米作为全球重要的粮食作物，其产量和营养品质提升一直是农业科研的重点课题。然而，长期以来，提高产量与增加蛋白质含量往往存在矛盾，难以实现两者的协同提升。此瓶颈问题制约了玉米育种的深入发展。 中科院植物所研究团队通过大规模遗传学分析，在456个玉米自交系中进行了全基因组关联分析，并结合104个自交系的候选区段分析，初步锁定了磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK2）这一关键基因。该基因与玉米产量、穗轴长度、氨基酸含量等多个重要农艺性状密切有关，具有重要的育种价值。 为深入验证该基因的功能，研究团队采用了多层次、多角度的实验策略。首先利用基因编辑技术敲除PEPCK2基因，结果发现会导致玉米胚胎致死，说明该基因对玉米正常发育至关重要。随后，研究人员通过RNA干扰技术降低基因表达，同时构建过表达株系，系统比较了不同表达水平下的表型差异。实验结果表明，过表达PEPCK2能显著增加穗轴长度、百粒重和籽粒产量，同时提高籽粒含氮量；而降低其表达则出现相反表型。这一发现表明该基因具有调控产量和营养品质的双重功能。 组织表达分析进一步揭示了PEPCK2起到作用的生物学基础。该基因主要在玉米穗轴、花梗和胚乳基部转移层细胞中表达，这些部位恰好是光合碳氮同化物从母体"源"器官向籽粒"库"器官转运的关键通道。为验证其在物质转运中的具体作用，研究团队以过表达和RNA干扰株系为母本，周围种植十倍量的Mo17和B73作为父本进行随机开放授粉。实验结果明确显示，PEPCK2直接调控碳氮同化物从源器官向籽粒等库器官的转运效率。 通过生物化学、代谢组学与分子生物学的综合分析，研究团队阐明了PEPCK2作用机制。该酶通过催化磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）生成草酰乙酸（OAA），有效连接了三羧酸循环与糖异生途径。在这一过程中，PEPCK2如同一个"代谢泵"，将长途运输至籽粒的氨基酸"拉入"三羧酸循环，进而通过糖异生途径促进淀粉合成，同时增强了氨基酸向籽粒的转运。这种协同作用最终实现了产量与氮含量的同步提升。 该研究成果发表在国际权威学术期刊Plant Communications上，由中科院植物所已毕业博士研究生杨秀、副研究员晁青和已毕业博士研究生高志方为论文共同第一作者，王柏臣研究员为通讯作者。这一发现为玉米分子育种提供了新的靶点和理论依据，有望在玉米遗传改良中得到广泛应用。
这项研究回应了粮食安全与高质量供给的现实需求，为破解“高产与高品质难以兼得”的育种难题提供了新的思路。从实验结果到规模化育种应用仍需面对材料适配、田间稳定性验证等挑战，但随着分子育种技术和育种体系的持续完善，“产量与品质同步提升”的目标正在变得更加可实现，也将为农业高质量发展提供更有力的支撑。