The Plant Cell | 康奈尔大学突破玉米种植季节限制：为现代农业提供耐冷高氮效玉米新方案

2025年7月，康奈尔大学基因组多样性研究所Jonathan Odilón Ojeda-Rivera Kerry L. Bubb等人，在The Plant Cell发表了题为Designing a nitrogen-efficient cold-tolerant maize for modern agricultural systems的文章。该文章提出了“重塑玉米农业循环经济(CERCA)”计划，系统分析了现代玉米生产系统面临的季节性氮光利用错位和籽粒氮分配低效两个关键挑战及其解决方案。

循环经济玉米农业计划的三大解决方案：

(i) 提高萌发和早期生长的耐冷性，实现早春种植；

(ii) 减少籽粒氮分配，降低贮藏蛋白并开发替代氮库(如穗轴、根系)；

(iii) 增强生物硝化抑制(BNI)，稳定土壤氮素。

图一.CERCA的目标与解决方案

玉米作为全球最重要的粮食作物之一，其热带起源遗留的耐寒性不足，限制了生长季并导致早春氮光资源未被利用。研究拟通过筛选玉米野生近缘种的耐寒基因并利用基因编辑等技术降低萌发温度，以期将种植期提前至早春，使玉米更充分地利用其C4光合作用潜力，实现增产超10%并减少春季氮损失20%。

图2.玉米耐寒性目标、实现策略及分子机制

针对籽粒氮分配低效问题，研究拟通过敲除zeins基因、调控氨基酸转运、利用“持活根系”性状等策略，目标将籽粒中低质贮藏蛋白含量从8%~10%降至4%，从而减少50%的田间氮移除，并通过激活穗轴和根系作为替代氮库，促进氮素在农场内循环利用。

图3.正常生长与理想型玉米的温带生长季特征及氮素循环对比

为减少日常氮肥施用中土壤硝化导致的淋溶与N₂O排放，研究拟通过增强玉米BNI能力(使根分泌物及残体释放的BNI化合物更有效抑制硝化)，以显著减少非生长季氮素损失，同步降低温室气体排放和水体污染风险。

图4.生物硝化抑制（BNI）对玉米田间氮素留存的作用机制

该文章围绕温带玉米生产中氮素利用低效和耐寒性不足的核心问题，系统阐述了开发氮高效耐冷玉米的必要性与路径，CERCA计划提出的耐冷、氮高效玉米设计理念，通过整合遗传改良、生理调控和农艺管理创新，为解决这些问题提供了系统性的方案。