氮素是驅動植物生長的核心營養元素，然而，全球玉米氮肥利用率長期低于30%，約70%施入土壤的氮肥因未被高效吸收而流失，造成巨大經濟損失與環境污染。盡管科學界已明確植物氮同化的核心催化單元，但該通路在葉綠體內部的亞細胞組織方式及其對氮素利用效率的調控機制長期未獲破解。

2026年6月3日，四川農業大學黃永財研究團隊聯合中國科學院分子植物科學卓越創新中心巫永睿研究團隊在Nature發表題為“Plastoglobules Compartmentalize Nitrogen Assimilation in Maize”的研究論文。該研究對亞細胞內微小區域進行蛋白質組定量分析，精準挖掘到氮高效優異基因，為關鍵代謝酶的區室化改造提供了理論依據，也為作物分子設計精準育種開辟了新的路徑。

質體小球的對氮動態響應特性

玉米葉肉細胞葉綠體中的質體小球（PGs）表現出對氮的動態響應特性，其數量隨氮供應水平升高而顯著增加，且該現象并不線性依賴于氮素驅動的葉綠體增大。玉米是典型的C4作物，葉片具有獨特的花環結構：外圍緊密排列的葉肉細胞環繞著內部的束鞘細胞，這種雙層細胞排列是C4高效光合作用的關鍵結構基礎。兩類細胞均含葉綠體，電鏡成像均能觀察到PGs，但束鞘細胞葉綠體PGs并未表現出類似特性。事實上，PGs對干旱、高溫、高光等逆境條件的動態響應已有報道，這在一定程度上揭示了脂質代謝在植物逆境脅迫中的支撐作用，而該研究首次報道了植株營養生長狀態下，PGs作為“代謝樞紐”參與植物初級氮營養代謝的新功能。

PGs的分離及氮代謝關鍵因子鑒定

為解析PGs響應氮素的分子基礎，研究者優化并建立了適用于玉米的PGs分離純化流程。為進一步聚焦葉肉細胞PGs，研究者采用功率梯度進行細胞分離。由于葉肉細胞排布較為松散，低功率下即可在不破壞束鞘細胞的情況下獲得大量純凈的葉肉細胞葉綠體，隨后通過超速蔗糖梯度離心分離PGs與類囊體，最終獲得高純度的葉肉細胞PGs。在此基礎上，研究者利用高精度質譜儀結合DIA技術對PGs進行蛋白質組鑒定與分析，該方法可高效測定復雜樣品中相對低豐度的蛋白。在鑒定到的蛋白中，除已知的纖維蛋白、脂質代謝及抗氧化物合成相關蛋白外，首次發現兩個關鍵氮同化酶——ZmNIR2與ZmGLN1，這是植物將無機氮轉化為有機氮的關鍵代謝酶。

圖1.玉米葉肉細胞PGs的分離和純化

PGs定位的氮同化酶：功能不可替代性

玉米中共有2個ZmNIRs和6個ZmGLNs，亞細胞定位結果顯示，僅ZmNIR2與ZmGLN1完全定位于PGs。對8個基因的單突變體材料進行表型鑒定發現，nir2突變體矮小細弱、葉片黃化，gln1突變體則表現為株高降低與營養生長遲緩，而其他基因突變后未表現出明顯的生長缺陷。氮梯度測試結果進一步顯示，nir2和gln1突變體的氮素敏感度降低，即使在氮素供給充足的條件下，仍表現出較低的氮素利用效率。上述結果表明，PGs定位的氮同化酶在植株氮素營養生長中表現出功能不可替代性。

氮同化酶的PGs錨定與代謝體組裝

研究者接下來對ZmNIR2與ZmGLN1的蛋白靶向機制進行了細致解析。多區域截斷熒光實驗表明，ZmNIR2與ZmGLN1首先各自通過N端葉綠體轉運肽導入葉綠體，ZmNIR2通過6個疏水區域（>10aa）進行PGs錨定，ZmGLN1通過2個連續疏水區域進行錨定。研究者還利用冷凍電鏡首次解析了質體定位的GLN高分辨率結構，發現ZmGLN1是由兩個五元環面對面堆疊組裝而成的十聚體。然而，ZmNIR2與ZmGLN1的功能行使與其PGs定位之間存在怎樣的關系？為解答這一問題，研究者證實了ZmNIR2和ZmGLN1之間存在弱相互作用，二者可形成天然代謝體（metabolon）。這種作用形式不僅可以提升反應底物的局部濃度，還能加快反應中間產物的遞送。而PGs恰恰提供了這樣一個反應平臺，用于上下游代謝酶的固定。

圖2. ZmNIR2和ZmGLN1的定位機制及結構解析

育種中被忽視的維度：蛋白空間定位的遺傳調控

值得關注的是，ZmNIR2基因存在可變剪接，產生ZmNIR2T1與ZmNIR2T2兩種轉錄本。NAM材料結果證實，ZmNIR2T2因缺失N端139個氨基酸而喪失葉綠體導入能力，而ZmNIR2T1比例越高的材料，其PGs數量越多。研究者進一步擴大至111份自交系，轉錄組測序顯示不同材料間并非“有或無”的差異，而是呈現連續變化的模式。這類“比例型”轉錄本變異在天然群體中較為常見，既能維持基因功能的基本輸出，又可在特定環境或遺傳背景下微調蛋白表達。

研究者還對44份野生大芻草進行了轉錄組測序，令人驚喜的是，所有大芻草中ZmNIR2T1比例介于72%–99%。從進化與育種角度看，不同生態區或栽培體系對氮利用效率、氮供應條件及生長策略的選擇壓力各異，從而在群體中調控轉錄本比例。過量表達ZmNIR2T1可顯著提升PGs數量與體積，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表達水平，更取決于蛋白產物的最終空間定位，唯有將蛋白精準“投送”到正確的位置，才能使該基因對性狀的貢獻發揮最大價值。

綜上所述，該研究提升了大眾對于質體小球的功能認知，在已有的脂質代謝功能基礎上，重塑了其作為植物初級氮同化的樞紐功能。ZmNIR2與ZmGLN1借助PGs反應平臺形成天然代謝體（metabolon），展現出高效的酶促反應模式，進而提升氮同化效率。同時，ZmNIR2可變剪接所驅動的功能分化，為理解基因表達調控與代謝區室化之間的關聯提供了一個清晰的遺傳范例。該發現不僅從亞細胞層面深化解碼了作物氮素高效利用的機理，也為通過分子設計調控亞細胞代謝區室、培育高氮效作物提供了可直接應用的基因資源與育種策略。

圖3.玉米區室化調控氮同化效率的模式圖

鑒于該研究的重要科學意義與應用前景，Nature同期邀請中國農業大學楊淑華教授及其團隊施怡婷教授共同撰寫題為“Tiny hubs of metabolic activity optimize nitrogen use in maize”的專題亮點評述文章。評述指出，當前農業生產面臨著提高生產力與降低環境影響的雙重挑戰，該研究提供了一個強有力的新視角。傳統觀點多從基因表達或蛋白質活性層面解讀功能變異，而本項研究揭示了第三個關鍵維度—亞細胞定位。這表明，未來作物改良的路徑不僅在于設計更高效的酶，更在于通過改造酶所處的細胞內微環境，實現代謝效能的優化。

四川農業大學西南作物基因資源發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本論文的共同第一作者。四川農業大學國家重點實驗室黃永財教授和中國科學院分子植物科學卓越創新中心巫永睿研究員為共同通訊作者，四川農業大學為論文的第一完成單位。四川農業大學國家重點實驗室陳學偉教授，青年研究員李文皓，東北農業大學曾興副研究員，上海師范大學王文琴教授，中科院遺傳與發育生物學賀巖研究員也參與了該研究。中科院分子植物科學卓越創新中心張余研究員，武霄仙研究員，博士生程奕秋，王海海研究員對該研究做出了重要貢獻。本工作得到了國家自然科學基金、四川省自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項、四川農業大學國家重點實驗室作物科學基礎研究特區和青年科學家項目、開放課題以及四川農業大學人才引進項目等資助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10610-8