低氮耐性玉米品种通过优化氮分配提升电子传递效率以增强低氮弱光胁迫下的光合作用及产量

为解决低氮(Low-N)和弱光(Low-light)复合胁迫下玉米光合效率下降的问题，研究人员通过三年田间试验结合随机森林(Random Forest)和结构方程模型(SEM)分析，揭示低氮耐性品种通过优先分配氮至电子传递组分(Net)，降低PSI供体侧限制(YND)，维持D1/PsaA蛋白水平，从而提升光合速率(Pn)和产量。该研究为耐胁迫作物育种提供了理论依据。

　　

全球气候变化背景下，玉米生产面临双重挑战：一方面，过量施用氮肥导致环境污染，亟需推广低氮(Low-N)种植模式；另一方面，全球变暗现象和高密度种植引发的弱光(Low-light)胁迫日益严重。低氮和弱光胁迫会协同抑制光合作用，但不同玉米品种的耐受机制尚不明确。四川农业大学刘琴林团队在《The Crop Journal》发表的研究，通过对比低氮耐性品种(ZH311)与敏感品种(XY508)的生理响应，揭示了氮分配优化与电子传递效率提升的关键作用。

研究采用多技术联用策略：三年田间试验设置两种氮水平(常规240 kg N ha^-1 vs 低氮150 kg N ha^-1)和两种光照条件(自然光 vs 35%遮光)，结合气体交换测量(Li-6800)、叶绿素荧光成像(MultispeQ)、蛋白质免疫印迹等技术，通过随机森林算法筛选关键限制因子，并构建结构方程模型解析调控路径。

3.1 产量与气体交换参数

低氮耐性品种ZH311在复合胁迫下产量降幅较XY508低15.2%，其优势源于更高的净光合速率(P_n)和千粒重。随机森林分析显示，最大电子传递速率(J_max)对P_n的贡献比最大羧化速率(V_cmax)高31.6%，表明电子传递是光合限制的主要环节。

3.2 叶片氮分配特征

ZH311通过提高光合氮含量(N_p)，优先将氮分配至电子传递组分(N_et)，其N_et占比在胁迫下比XY508高22.9-36.2%。结构方程模型证实，N_et对Y_ND的抑制贡献达52.64%（XY508为75.17%）。

3.3 光系统功能调控

耐性品种维持更高的PSII核心蛋白D1（psbA基因表达量高60.6%）和PSI核心蛋白PsaA水平，使PSI活性中心数量比敏感品种多35.8%。对应的，其PSI供体侧限制(Y_ND)升幅较XY508低15.7个百分点，减轻了对电子传递链(Je_PSI)的抑制。

3.5 能量与碳同化耦合

更强的电子传递驱动ATP合成酶活性(gH⁺)提升50.4%，ATP/ADP比值提高42.9%，进而激活Rubisco和PEPC活性，使ZH311在复合胁迫下羧化效率比XY508高26.1%。

该研究首次阐明低氮耐性品种通过"氮分配优化-光系统保护-电子传递增强"的三级调控网络缓解复合胁迫。其创新性体现在：发现Y_ND是光合限制的关键节点；揭示N_et分配优先性对PSI功能的调控作用；提出通过维持D1/PsaA蛋白稳态提升胁迫耐受性的育种策略。这些发现为设计"减氮不减产"的栽培模式提供了分子靶点，对应对全球气候变化下的粮食安全挑战具有重要意义。