生物强化旨在通过遗传改良等方式提高作物可食部分的营养含量，如何在改善营养品质的同时维持产量，是相关育种研究关注的问题。作物改良过程中，挖掘野生及地方种质中保留的优势单倍型，并将其重新引入现代品种，为兼顾产量与品质提供了可行思路。禾谷类作物胚乳由糊粉层、亚糊粉层和淀粉胚乳组成，三者具有相同的发育来源，但在细胞分化和营养物质积累方面存在差异。亚糊粉层位于糊粉层与淀粉胚乳之间，富含蛋白质、维生素及微量元素，其厚度变化与籽粒营养品质密切相关，其发育的分子遗传机制仍有待解析。

    研究发现，糖转运蛋白SbSTP20参与调节高粱籽粒的亚糊粉层厚度。它能够运输葡萄糖和果糖，并影响籽粒发育过程中的淀粉积累。研究将糖运输、亚糊粉层发育和籽粒营养成分联系起来，确定了一个可用于高粱品质改良的候选基因。

    研究人员对331份高粱种质资源进行籽粒切片观察和全基因组关联分析，结合基因表达及单倍型分析，定位了SbSTP20。随后，通过基因编辑和过表达实验验证了它的作用：敲除该基因后，亚糊粉层增厚，籽粒蛋白质含量较对照提高6.6%-7.5%，铁、锌等营养成分含量也有所增加；提高该基因的表达量后，亚糊粉层变薄，多项营养指标则下降。

    进一步的实验显示，SbSTP20表达量较高时，发育中的籽粒内糖含量较高，淀粉积累加快；敲除该基因后，糖含量降低，淀粉填充延迟，成熟籽粒保留了较厚的亚糊粉层。研究人员还发现，两类天然变异的差别主要与启动子活性有关，也就是基因表达的强弱不同。与SbSTP20^thin相比，SbSTP20^thick的表达量较低，与亚糊粉层增厚的表现一致。

    为检验这一自然变异的效果，研究人员构建了遗传背景相近、分别携带SbSTP20^thick和SbSTP20^thin的高粱材料。结果显示，SbSTP20^thick材料的亚糊粉层更厚，籽粒蛋白质含量更高。在海南和山西的试验条件下，两类材料的粒长、粒宽、千粒重及单穗粒数等性状没有显著差异。种质分析还发现，在所调查的现代改良材料中，约93%不携带SbSTP20^thick变异，说明这一变异仍有利用空间。

    研究团队同时开展了猪消化代谢试验。受试SA-thick高粱材料的消化能和代谢能高于SA-thin材料，部分材料达到或超过国家饲养标准中玉米的能量参考值。这些结果为利用SbSTP20自然变异改善高粱营养品质和饲用价值提供了依据。

    该研究成果于2026年10月30日在线发表于The Plant Cell。植物所已毕业博士研究生卢呈、吴小园工程师和刘金鑫副研究员为论文共同第一作者，景海春和刘春明为共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金及中澳合作项目等资助。

    论文链接：https://doi.org/10.1093/plcell/koag331