玉米基礎研究重大突破！川農(nóng)大黃永財團隊Nature 發(fā)文！

玉米的氮肥利用率長期低于40%，施入土壤的氮肥大多未被有效吸收，造成經(jīng)濟損失和環(huán)境污染。盡管科學界已明確植物氮同化的核心催化單元，但這些酶在葉綠體內(nèi)部的空間組織機制及工作模型，長期未獲破解。

6月3日，我校西南作物基因資源發(fā)掘與利用國家重點實驗室黃永財團隊聯(lián)合中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心巫永睿團隊在國際學術期刊《自然》（Nature）發(fā)表研究成果，揭示葉綠體中的質體小球（PGs）作為調控玉米初級氮同化的關鍵亞細胞樞紐，為培育氮高效作物提供了全新理論依據(jù)和基因資源。

成果介紹科普視頻

質體小球的新身份：

氮代謝的核心樞紐

研究團隊發(fā)現(xiàn)，玉米葉肉細胞葉綠體中的PGs數(shù)量隨氮供應水平升高而顯著增加，且該特性在C3和C4植物中高度保守。為進一步探究其分子機制，研究團隊優(yōu)化建立了玉米PGs的分離純化流程，并結合蛋白質組學分析，成功鑒定到兩個定位于PGs的關鍵氮同化酶——亞硝酸還原酶（ZmNIR2）和谷氨酰胺合成酶（ZmGLN1）。

玉米葉肉細胞PGs的分離和純化

高效用氮的分子智慧：

代謝體的組裝與結構解析

研究發(fā)現(xiàn)，玉米體內(nèi)ZmNIR和ZmGLN共有8個基因，但只有定位于PGs的ZmNIR2和ZmGLN1對植株生長不可或缺。進一步研究表明，這兩個關鍵酶經(jīng)由葉綠體轉運肽進入葉綠體后，依靠自身的疏水區(qū)域錨定在質體小球表面，通過弱相互作用，有序組裝成一種天然的“代謝體”。這不僅提升了反應底物的局部濃度，還通過空間耦合加快了反應中間產(chǎn)物的遞送。這就像在細胞內(nèi)建立了一條高效的“流水線”：NIR2將亞硝酸鹽（NO2?）轉化為銨鹽（NH??），GLN1緊隨其后，迅速將其轉化為谷氨酰胺（GLN）。這一模型清晰表明，PGs的區(qū)室化策略正是玉米氮素高效利用的核心方式。

ZmNIR2和ZmGLN1的定位機制及結構解析

轉錄本的偏好與選擇：

玉米氮高效精準設計的新策略

研究發(fā)現(xiàn)，ZmNIR2基因存在可變剪接，產(chǎn)生兩種轉錄本，其中僅T1轉錄本編碼的蛋白能夠定位于PGs。對111份玉米自交系的分析顯示，T1轉錄本比例越高的品系，其依賴氮供應的生物量增長量也越大。值得關注的是，在44份大芻草材料中，T1比例高達72%-99%。從進化與育種的角度來看，不同生態(tài)區(qū)對氮供應條件的選擇壓力各異，從而在群體中調控了T1轉錄本的比例。進一步過量表達T1轉錄本，可顯著增加PGs的數(shù)量與體積，進而提高氮肥利用效率。該工作揭示了一個作物育種中長期被忽視的問題：基因的功能不僅取決于其表達量，更依賴于蛋白產(chǎn)物能否準確到達特定的亞細胞“工作崗位”。該研究為作物“減肥增效”的精準設計提供了理論基礎和基因資源，為農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展注入了源頭創(chuàng)新動力。

玉米區(qū)室化調控氮同化效率的模式圖

《自然》同期配發(fā)了專題評述，指出該研究揭示了作物基因功能的第三個關鍵維度——亞細胞定位。未來作物改良，不僅要設計更高效的酶，還要為酶打造更合適的細胞內(nèi)“功能區(qū)室”。

西南作物基因資源發(fā)掘與利用國家重點實驗室陳迪副教授、高盧盧特聘研究員和研究生李書君為共同第一作者，黃永財教授和巫永睿研究員為共同通訊作者。研究得到國家自然科學基金、四川省自然科學基金等項目資助。

陳學偉教授獲評全國創(chuàng)新爭先獎！

比個耶，畢個業(yè)！

致謝言短，感念至深！

來源 | 宣傳部 國重實驗室

科普視頻使用了AI輔助完成

編輯 | 李舒童

責編 | 任先煒

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