1840年，植物营养学奠基人李比希提出作物产量的“最小养分律”，即作物生长取决于供给最不足的那种养分。人们常用“木桶短板”来形象说明这个道理，一只木桶能盛多少水，取决于最短的那块木板。因此，作物产量不仅由氮、磷、钾等大量元素决定，镍等微量元素也可能成为限制产量的“短板”。然而，自镍被发现在植物中具有生理功能半个世纪以来，镍的运输机制以及控制基因一直是植物微量元素营养领域的核心谜团之一，它在作物中的功能和作用也因此一直未能得到正确认识。

北京时间2026年11月11日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心晁代印研究团队联合华中农业大学严建兵教授团队，首次鉴定出控制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）介导了镍由茎叶等“源”器官长距离运输到籽粒等“库”器官的分子机制，并阐明了镍依赖的脲酶活性在氨基酸代谢、种子活力和产量形成中的关键作用。

研究团队从1404份玉米材料的多年多点数据入手，通过全基因关联分析锁定了ZmNAET1。他们发现ZmNAET1调控区的自然变异会影响籽粒镍含量，高表达类型材料的籽粒镍含量可高出约60%，说明这个基因在育种上有可利用的天然差异。进一步的分子生物学、细胞生物学和生物化学的研究表明，ZmNAET1在镍运输的路线上扮演着关键的“出口”作用，它主要存在于茎节和穗柄的韧皮部细胞中，负责将这些细胞中合成的NA送到细胞外。NA在这些细胞的外部与游离镍结合，形成Ni-NA复合物，再由后续转运蛋白重新导入韧皮部，运往籽粒等库器官。通过遗传学的研究，该团队发现，ZmNAET1不仅控制玉米籽粒的镍含量，还通过影响镍的运输控制穗重、籽粒大小、淀粉含量和储藏后发芽率。当这个基因功能受损时，玉米籽粒镍含量会大幅下降，穗重、籽粒大小、淀粉含量和储藏后发芽率也随之下降。储藏8个月到1年的突变体种子发芽率明显降低，补充镍可恢复发芽，补锌则无效。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。他们还发现，镍运输不畅时，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，从而证明镍运输连接着氮代谢、产量形成和种子活力。

在水稻中，团队还鉴定出两个同源基因OsNAET1和OsNAET2，发现它们也是水稻籽粒镍含量的关键控制基因，表明这一机制在禾本科作物中具有保守性。与模式植物拟南芥中的同类基因主要调控铁、铜、钴运输不同，玉米和水稻的NAET1主要影响镍及少量锌的分配，反映出禾本科与双子叶植物长距离金属运输策略的差异。

长期以来，学界普遍认为禾本科植物镍需求低、镍缺乏罕见。这项研究首次提供了镍作为必需元素的遗传学证据，鉴定出禾本科植物控制镍长距离运输的基因，阐明NA独立于已知麦根酸途径之外介导镍向库器官分配的新功能，也让"禾本科植物镍需求低、镍缺乏罕见"的传统认识需要更新。它不仅填补了教科书关于镍运输机制的空白，同时也为通过营养调控和分子育种等方式提升禾本科作物产量与种子活力开辟新方向。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心晁代印研究员和华中农业大学严建兵教授为共同通讯作者，晁代印研究组晁振飞。吴嘉琛以及严建兵教授团队陈园园（现任广东省农业科学院农业生物基因研究中心助理研究员）为共同第一作者。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.10.035

图1. 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