全球每年超1亿吨氮肥投入农田，中国占比超1/3，但尿素利用率不足50%——这不仅意味着千亿级的经济损失，而且未被利用的氮素进入环境，导致水体富营养化、土壤酸化等生态问题。同时，因单独施用尿素时水解产生的氨转化不平衡，一些植物在仅使用尿素的环境中常出现生长不良、蛋白含量下降，甚至“叶色发黄”的氮饥饿表现。如何让尿素既能保持高效，又能避免氮损失和环境问题，是当前农业可持续发展面临的重要挑战。

中国科学院成都生物研究所赵海研究团队在对水生植物浮萍的氮素利用研究中发现，有的浮萍株系在高浓度的尿素环境下生长良好，而有的株系恰恰相反。他们以这两类株系为对象，通过多角度系统、深入的比较研究，发现质体型谷氨酰胺合成酶（GS2）是决定浮萍尿素利用效率的关键酶，并用基因工程手段实现了对GS2基因的克隆。转基因研究发现， 转入GS2基因的浮萍蛋白含量达36.7%（媲美大豆），较非转基因提高24%，生长速度和生物 量提高10%，可达年产蛋白670公斤/亩，是传统作物的3倍以上，氮肥利用率提高32%。跨物种转基因试验表明，GS2基因转入水稻、烟草后，生物量亦可提升15%，蛋白含量增加30%，证明该基因具有普适性。

GS2基因的发现为破解植物尿素利用难题提供了一把极具潜力的金钥匙，对该基因的有效利用可望为植物尿素高效利用提供切实可行的路径。对浮萍本身而言，GS2的发现阐明了浮萍高效利用氮素及高蛋白含量的机制，其高蛋白含量、高生物量可望使其成为极具潜力的新型蛋白来源作物，结合其水生生长、不与粮争地、易于工厂化生产等特性，使其更具有解决大豆替代等国家战略需求、践行大食物观的潜力作物的可能。跨物种转基因试验对该基因普适性的验证，更证明了该基因在其他作物、特别是现行水稻等主粮作物应用的可能性，如果应用成功，将为绿色农业革命做出不可估量的贡献。

该项成果已申请国家发明专利和PCT专利（202410494025.5，PCT/CN2025/080875），并以Plastidic glutamine synthetase (GS2) enhances nitrogen assimilation and protein production in duckweed using urea nitrogen source 为题，发表于International Journal of Biological Macromolecules。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.141701。

相同尿素供应下野生型和GS2过表达浮萍株系细胞质和叶绿体中氮同化的比较

GS2过表达水稻、烟草和拟南芥的生物量和蛋白质含量