陜西
玉米作為我國第一大糧食作物和飼料作物。隨著居民對肉蛋奶消費需求持續增長，對飼料用玉米的產量與品質均提出更高要求，飼料糧供需矛盾已成為我國糧食安全的主要短板。氮素是玉米生長發育需求量最大的必需營養元素，氮素供應不足嚴重限制產量形成。盡管增施氮肥可顯著提升玉米產量，但當前依賴化肥投入的增產模式已接近瓶頸，同時引發土壤酸化、板結、水體富營養化等一系列環境問題。因此，解析玉米氮高效利用的遺傳基礎，培育低氮條件下高產穩產的玉米新品種，對推動農業綠色發展、保障國家糧食安全與生態安全具有重要理論與實踐意義。
水稻與玉米存在顯著不同的氮素吸收與利用機制。水稻是典型的喜銨作物，主要吸收利用銨態氮；而玉米為旱作作物，生長環境中以硝態氮為主要氮源。目前，玉米氮高效利用相關研究多以反向遺傳學為主，利用正向遺傳學系統挖掘氮高效關鍵基因與調控位點的研究仍較為薄弱。其中，硝態氮的根-冠轉運過程是決定玉米氮素利用效率的關鍵環節。
近日，中國農業大學玉米生物育種全國重點實驗室、國家玉米改良中心賴錦盛課題組和植物抗逆高效全國重點實驗室王毅課題組合作在Nature Genetics雜志在線發表了題為A genetic module boosts grain yield and nitrogen use efficiency by improving nitrate transport in maize的研究論文。本研究首次揭示了玉米氮素根-冠轉運的分子調控機制，證實玉米
NCR1基因的自然變異可通過維持低氮脅迫下的高表達水平，增強硝酸根轉運體NRT2.3介導的根向冠硝酸根轉運效率，進而顯著提升低氮條件下玉米的產量及全株蛋白含量。然而，隨著我國氮肥施用量的逐年攀升，這一有利于低氮適應的優異變異在玉米育種自交系群體中逐漸丟失；進一步分析表明，在全球范圍內，玉米種植區的施肥水平與該優異單倍型的頻率呈顯著負相關，提示該優異變異的保留與氮肥投入密切相關。該優異變異在玉米耐低氮育種中具有重要應用價值，本研究不僅填補了玉米氮素根-冠轉運分子機制的知識空白，更為培育氮高效玉米新品種、減少氮肥依賴提供了全新的分子育種策略與理論支撐。
為鑒定調控玉米根-冠轉運的關鍵基因，研究人員利用181份玉米自交系群體進行了全基因組關聯分析，成功在玉米第3號染色體上發現了一個明顯信號，該信號落在基因命名為
Nitrogen Concentration Regulation 1(NCR1)。重測序和候選基因關聯分析表明，
NCR1啟動子區域的5個變異位點與玉米根-冠硝酸根轉運顯著關聯。根據這些變異位點，將自交系分為Hap1和Hap2兩種單倍型，其中低氮下
NCR1Hap1的基因表達水平較高，并且其表現出更強的根-冠轉運能力；過表達
NCR1基因會提高玉米根-冠硝酸根轉運，而敲除
NCR1則能夠顯著降低玉米根-冠硝酸根轉運 （圖1）。多組學分析顯示， NCR1通過直接促進硝酸根轉運體NRT2.3的表達，促進硝酸根的根-冠轉運，提高低氮下產量、氮利用效率和全珠蛋白含量。
圖1 NCR1基因正調控低氮下玉米硝酸根的根-冠轉運和產量
進一步研究發現，只有將
NCR1啟動子區的123 bp刪除能顯著增強
NCR1的表達。
NCR1啟動子的自然變異通過影響了
NCR1的表達，從而導致了
NCR1Hap1和Hap2根-冠轉運的差異。進一步研究還表明，硝酸根轉運體NRT2.3在大芻草向玉米馴化過程中受到選擇，NCR1對NRT2.3的調控作用促進了NRT2.3的優異變異受選擇，從而正向調控玉米硝酸根的根-冠轉運。
圖2 NCR1-NRT2.3模塊正調控低氮下玉米硝酸根的根-冠轉運
攜帶
NCR1優異基因型的玉米材料具有顯著更高的單穗重，表現出良好的產量優勢。但值得注意的是，該優異基因型在玉米不同亞群材料中的占比均處于較低水平。在我國近60年來，隨著農業生產中化肥施用量的持續增加，玉米育種自交系材料中
NCR1優異基因型的頻率呈現逐漸下降趨勢；從群體分布來看，該優異基因型在中、美兩大玉米主產國的玉米自交系群體中占比也均較低。結合全球范圍內的分析結果，玉米種植區的施肥水平與NCR1優異單倍型的頻率呈顯著負相關，進一步印證了氮肥投入對該優異基因型保留的影響。該優異基因型在玉米耐低氮、高產育種中具有重要應用價值。本研究不僅填補了玉米氮素根-冠轉運分子機制的知識空白，更為培育氮高效玉米新品種、減少氮肥依賴提供了全新的分子育種策略與理論支撐。
圖3 NCR1-In優異基因型在育種自交系群體中的頻率分析
中國農業大學玉米生物育種全國重點實驗室及國家玉米改良中心主任、農學院賴錦盛教授和植物抗逆高效全國重點實驗室副主任、生物學院王毅教授是該論文的通訊作者，農學院博士后張美玲和生物學院吳子麒博士為論文的第一作者。農學院宋偉彬教授、趙海銘教授、卞超研究員、陳建副教授、劉秋杰副研究員對該研究工作提供了指導和幫助。農學院田豐教授、楊小紅教授、汪海教授、生物學院秦峰教授提供了寶貴的意見和材料支持。同時，中國農科院生物技術所王寶寶研究員、西北農林科技大學陳文康教授、中國農業大學申曉蒙博士、黃亮亮博士、郭麗博士、張璇博士、羅紫薇等也提供了幫助。中國農業大學生物學院已畢業博士韓武、胡英迎、王少帥、秦毅州、譚強，在讀博士生王康祺、付君正、常天悅也提供了GWAS篩選、田間測產的幫助。中國農業大學作物功能基因組學與分子育種研究中心為該研究提供了遺傳轉化服務和重要的轉基因材料。該研究得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金等項目的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41588-026-02532-y
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