ZmNLP5转录因子通过调控氮同化基因提高玉米产量的分子机制与农业应用

本研究针对玉米氮利用效率(NUE)低下的关键问题，通过整合RNA-seq和ChIP-seq技术，揭示ZmNLP5转录因子通过直接激活ZmNRT1.1D、ZmNR2.1等氮代谢基因表达，显著提升硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性，最终使玉米在常氮(NN)和低氮(LN)条件下产量分别提高16%和12.5%，为作物遗传改良提供新靶点。

　　

氮素是作物生长的关键营养元素，但过量施肥导致环境污染和资源浪费。提高氮利用效率(NUE)成为农业可持续发展的核心挑战。玉米作为全球主要粮食作物，其氮代谢调控机制尚不完善。此前研究发现NIN-like蛋白(NLP)家族在拟南芥和水稻中调控氮信号，但玉米ZmNLP5的具体功能和农业价值仍待解析。

研究人员采用多组学联用策略，通过创制突变体和过表达材料，结合田间试验系统解析ZmNLP5的分子机制。关键技术包括：1）利用UniformMu突变体库获得zmnlp5突变体；2）基于B73背景的RNA-seq和ChIP-seq鉴定靶基因；3）酵母单杂交(Y1H)和电泳迁移率实验(EMSA)验证蛋白-DNA互作；4）双荧光素酶报告系统检测转录激活活性；5）在B104和杂交种郑单958中开展多环境表型分析。

研究结果部分：

3.1 ZmNLP5功能缺失影响氮代谢基因表达

通过比较zmnlp5突变体与野生型(WT)的转录组，发现5716个差异基因，其中3945个在WT中上调。GO分析显示这些基因显著富集于"肽代谢过程"等氮相关通路，包括硝酸盐转运蛋白基因ZmNRT1.1D和亚硝酸还原酶基因ZmNIR1.1。

3.2 ZmNLP5直接调控氮代谢网络

ChIP-seq鉴定出3144个ZmNLP5结合位点，其中581个与差异表达基因重叠。靶基因包含氮响应元件(NRE)特征序列"CTTN₉AAG"。氨基酸检测显示突变体中12种氨基酸含量显著降低。

3.3 ZmNLP5的分子调控机制

Y1H和EMSA实验证实ZmNLP5通过RWP-RK结构域结合ZmNRT1.1D、ZmGS4等基因启动子。双荧光素酶实验显示ZmNLP5可使报告基因表达量提升2-5倍，证实其转录激活功能。

3.4 过表达ZmNLP5提升氮同化效率

过表达株系(OE8/OE11)在NN和LN条件下生物量分别增加41.8%和38.3%。关键酶NR和GS活性显著提高，植株氮含量增加12.2-22.5%。

3.5-3.6 产量性状改良

田间试验显示OE株系单株产量增加16%(NN)和12.5%(LN)。将该等位基因导入杂交种郑单958后，产量提升达17.2%，证明其育种应用价值。

讨论与结论：

该研究首次阐明ZmNLP5通过"硝酸盐转运-还原-同化"全通路调控网络提升玉米氮效率的分子机制。与已报道的OsNLP4不同，ZmNLP5能同时激活ZmNIR1.1和ZmGS4等特有靶点，且通过调控LBD6基因连接氮信号与生长素通路。在低氮条件下仍保持增产效应，使其成为应对土壤贫瘠的优选靶点。研究为作物"绿色增产"提供了理论依据和基因资源，相关发现已发表于《The Crop Journal》。