近日，中国农业大学资源与环境学院/养分资源高效利用全国重点实验室袁力行教授课题组在植物学知名期刊《plant biotechnology journal》上在线发表了题为“zmnrt1.1b（zmnpf6.6）determines nitrogen use efficiency by mediating nitrate transport and signaling in maize”的研究论文，研究揭示了玉米硝酸盐转运蛋白zmnrt1.1b (zmnpf6.6) 通过调控硝酸盐运输和信号正向调节玉米生长，并提高低氮条件下植株产量。这一发现扩宽了我们对植物硝酸盐转运和信号的认知，并为培育氮高效玉米品种提供了重要基因资源。
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氮元素是植物生长发育所必需的营养元素之一，对于旱地作物玉米而言，硝酸盐（no3-）是其主要吸收的氮素形态。为了实现玉米高产，需要提高其对氮素的吸收利用效率，然而玉米no3-转运和信号调控的分子机制仍不清楚，有育种价值的玉米氮高效关键基因非常缺乏。因此，发掘鉴定调控玉米no3-转运和信号的关键组分并进行氮效率性状遗传改良，实现在更低氮肥投入下获得玉米高产，将有力推动我国农业生产的绿色转型。
研究发现，玉米zmnrt1.1b的转录水平特异性受到no3-的调控，在充足的no3-供应条件下，zmnrt1.1b功能的缺失显著削弱了玉米的生长（图1a）。15n标记的no3-吸收实验表明，zmnrt1.1b介导了高亲和的no3-吸收和根冠no3-运输（图1b和c）。
图1 zmnrt1.1b的生物学功能
进一步研究发现，在no3-处理条件下，zmnrt1.1b能够促进转录因子zmnlp3.1 (zmnlp8)进入细胞核，从而调控no3-信号（图2a）。转录组测序的结果显示，zmnrt1.1b与zmnlp3.1位于同一信号通路，共同调节参与no3-信号响应、细胞分裂素生物合成和碳代谢相关的基因的表达（图2a）。
图2 zmnrt1.1b- zmnlp3.1分子模块调控玉米硝酸盐信号
在不施氮肥和减少30%的氮肥施用条件下，过量表达zmnrt1.1b基因可以显著提高玉米优良杂交种先玉335（xy335）的穗长和百粒重，导致转基因xy335oe单株产量比非转基因对照增加10%以上（图3）。综上所述，本研究揭示了zmnrt1.1b在玉米高亲和硝态氮转运和信号转导中的重要作用，为培育氮高效玉米新品种提供了有价值的基因资源。
图3 过量表达zmnrt1.1b提高转基因玉米品种产量
中国农业大学资源与环境学院在读的博士研究生曹怀荣、已毕业博士生刘智和吉林省农科院副研究员郭嘉为该文共同第一作者，袁力行教授和吉林省农科院农科院郝东云研究员为共同通讯作者。中国农业大学贾中涛教授和陈丽梅教授、山东农业大学王勇教授、吉林省农科院刘相国研究员也参与了该项工作。该研究得到国家重点研发计划项目（2021yfd1200700）的资助。