玉米的氮肥利用率长期低于40%，施入土壤的氮肥大多未被有效吸收，造成经济损失和环境污染。尽管科学界已明确植物氮同化的核心催化单元，但这些酶在叶绿体内部的空间组织机制及工作模型，长期未获破解。
6月3日，我校西南作物基因资源发掘与利用国家重点实验室黄永财团队联合中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿团队在国际学术期刊《自然》（Nature）发表研究成果，揭示叶绿体中的质体小球（PGs）作为调控玉米初级氮同化的关键亚细胞枢纽，为培育氮高效作物提供了全新理论依据和基因资源。
质体小球的新身份：氮代谢的核心枢纽
研究团队发现，玉米叶肉细胞叶绿体中的PGs数量随氮供应水平升高而显著增加，且该特性在C3和C4植物中高度保守。为进一步探究其分子机制，研究团队优化建立了玉米PGs的分离纯化流程，并结合蛋白质组学分析，成功鉴定到两个定位于PGs的关键氮同化酶——亚硝酸还原酶（ZmNIR2）和谷氨酰胺合成酶（ZmGLN1）。
玉米叶肉细胞PGs的分离和纯化
高效用氮的分子智慧：代谢体的组装与结构解析
研究发现，玉米体内ZmNIR和ZmGLN共有8个基因，但只有定位于PGs的ZmNIR2和ZmGLN1对植株生长不可或缺。进一步研究表明，这两个关键酶经由叶绿体转运肽进入叶绿体后，依靠自身的疏水区域锚定在质体小球表面，通过弱相互作用，有序组装成一种天然的“代谢体”。这不仅提升了反应底物的局部浓度，还通过空间耦合加快了反应中间产物的递送。这就像在细胞内建立了一条高效的“流水线”：NIR2将亚硝酸盐（NO²⁻）转化为铵盐（NH⁴⁺），GLN1紧随其后，迅速将其转化为谷氨酰胺（GLN）。这一模型清晰表明，PGs的区室化策略正是玉米氮素高效利用的核心方式。
ZmNIR2和ZmGLN1的定位机制及结构解析
转录本的偏好与选择：玉米氮高效精准设计的新策略
研究发现，ZmNIR2基因存在可变剪接，产生两种转录本，其中仅T1转录本编码的蛋白能够定位于PGs。对111份玉米自交系的分析显示，T1转录本比例越高的品系，其依赖氮供应的生物量增长量也越大。值得关注的是，在44份大刍草材料中，T1比例高达72%-99%。从进化与育种的角度来看，不同生态区对氮供应条件的选择压力各异，从而在群体中调控了T1转录本的比例。进一步过量表达T1转录本，可显著增加PGs的数量与体积，进而提高氮肥利用效率。该工作揭示了一个作物育种中长期被忽视的问题：基因的功能不仅取决于其表达量，更依赖于蛋白产物能否准确到达特定的亚细胞“工作岗位”。该研究为作物“减肥增效”的精准设计提供了理论基础和基因资源，为农业绿色可持续发展注入了源头创新动力。
玉米区室化调控氮同化效率的模式图
《自然》同期配发了专题评述，指出该研究揭示了作物基因功能的第三个关键维度——亚细胞定位。未来作物改良，不仅要设计更高效的酶，还要为酶打造更合适的细胞内“功能区室”。
西南作物基因资源发掘与利用国家重点实验室陈迪副教授、高卢卢特聘研究员和研究生李书君为共同第一作者，黄永财教授和巫永睿研究员为共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金、四川省自然科学基金等项目资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10610-8
