1. 引言
玉米（Zea mays L.）是一种重要的主粮作物，占全球谷物产量的约 40% [1，玉米生产高度依赖氮肥的应用。氮肥消费量已达到每年 9.8 Tg 氮 [2,3，但氮肥的表观利用率仅为 30–45%（平均），这意味着超过一半使用的氮肥残留在土壤中或流失到空气和地下水中，而不是被作物吸收 [4,5,6。因此，提高玉米的氮利用效率（NUE）对于确保全球粮食安全和减轻环境风险至关重要。
NUE 被视为氮吸收效率（NupE，植物氮积累量与施氮量的比值）和氮利用效率（NutE，籽粒产量与植物氮积累量的比值）的乘积。因此，为了提高 NUE，有必要增加 NupE 和/或 NutE [7,8。NupE 和 NutE 受基因型、土壤条件、氮有效性和管理措施的影响。在农业生产中，农民，特别是小农户，往往使用比推荐量更多的氮肥，希望提高或稳定玉米的籽粒产量。在这种情况下，增加 NupE 对于最大限度地减少农田氮损失和减轻生态压力至关重要，包括温室气体排放、地下水污染和水体富营养化 [4,6。影响 NupE 的两个因素是根觅食范围（涉及根系分布和根表面积）以及单位根表面积或根长的绝对吸收效率，这些都受基因型、环境条件和管理措施的影响。优化这两个因素之间的相互作用对于提高 NupE 和 NUE 至关重要 [9,10。考虑到土壤中氮分布的高度不均匀和分散，检测并及时响应富氮斑点对于提高 NUE 至关重要 [11。玉米中的氮转运蛋白形成了一个庞大而复杂的家族 [12,13。基于底物特异性、亲和力和序列同源性，它们被分为两个主要功能系统中的五个亚家族。第一个功能系统是硝酸根转运系统，包括低亲和力转运和信号转导（例如 ZmNPF6.6）、高亲和力转运（例如 ZmNRT2.1）以及执行辅助功能的 NRT3 亚家族。第二个功能系统是铵转运系统，包括高亲和力铵转运（例如 ZmAMT1;1a, ZmAMT1;3, 和 ZmAMT3;1）和低亲和力铵转运候选者，包括 ZmAMF1;1 和 ZmAMF1;2。这些转运蛋白受氮形态和有效性、组织发育和激素信号的精细调控，共同确保在不同环境条件下实现高 NUE，不仅作为氮转运的通道，还作为连接氮营养、信号转导、生长以及玉米生产的中心。
尽管近年来农艺管理和作物育种取得了显著进展，但在玉米从遗传和表型水平到根际相互作用和土壤养分动态的综合响应方面仍存在知识空白。最近玉米 NUE 的研究进展已从单纯关注施肥转向对土壤 - 植物 - 微生物连续体的更全面理解。本期特刊认识到，NUE 不仅仅由施氮量或再分配决定，而是由根系特性（例如根系构型）、植物特性（例如植株构型、绿叶特性以及散粉 - 吐丝间隔）、根际微生物组和土壤管理之间的复杂相互作用决定。
2. 已发表文章概述
在生理适应的背景下，Li 等人（2025 年）揭示，优化氮从营养器官到籽粒的再动员是确保玉米在低氮条件下保持产量的关键策略，强调了内部氮循环效率的重要性。尽管取得了这一进展，但仍存在显著的空白。例如，要同时实现高产和高 NUE（以及高籽粒蛋白质浓度），绿叶特性必须与高效的营养器官氮再动员相协调。然而，其潜在的生理和分子机制在很大程度上尚不清楚。此外，不同氮形态下玉米品种与根际微生物组之间的特定生理和代谢相互作用仍然知之甚少。此外，需要协调高产管理与长期土壤健康，特别是关于不同肥料的优化组合。本期特刊“探索提高玉米生产中氮效率的机制与技术”汇集了一系列研究，通过整合生理学、分子生物学、微生物学和农学有效地填补了这些知识空白。
研究驱动 NUE 的地下机制，Chen 等人（2025 年）对 RSA 和结构进行了全面分析，揭示高效氮玉米杂交种通过两者的协调优化实现更高产量。他们的研究确定了与深根系和皮层通气组织形成相关的关键根系发育基因，为育种提供了新的遗传靶点。此外，Meng 等人（2025 年）通过评估保护性耕作结合氮抑制剂解决了环境方面问题，显示在中国东北显著减少了 N2O 排放，提供了氮管理环境可持续性的重要证据。此外，Tian 等人（2024 年）探索了玉米品种、氮形态和根际微生物组之间复杂的三方相互作用。他们展示了品种对混合氮供应的特异性响应如何由根代谢物（如棕榈油酸）的变化介导，这些变化招募有益微生物群落以增强氮吸收。
关于农艺管理与植物表型之间的协同作用，Zhang 等人（2025 年）研究了绿叶杂交种与氮管理策略之间的相互作用，证明适度的绿叶玉米杂交种结合最佳氮管理在生物量向顶部叶片分配和氮再动员到籽粒方面显著优于绿叶类型，为精确基因型选择提供了路线图。
关于养分缺乏和可持续土壤管理，Sun 等人（2024 年）阐明了冬小麦 - 夏玉米轮作中氮、磷、钾缺乏对干物质积累和产量的不同影响，强调平衡施肥以防止土壤退化的必要性。此外，Yang 等人（2025 年）通过优化猪粪替代比例结合秸秆覆盖，为可持续氮管理提供了实用解决方案。他们的工作表明，这种综合方法不仅提高了玉米产量和 NUE，还减轻了氮淋失风险并维持土壤氮平衡，解决了生产力与环境管理之间的权衡问题。
3. 结论
最近的进展已经确立，提高 NUE 需要一种多维度的方法，协调根系特性、地上部分生长和土壤 - 微生物组功能。然而，在理解根系经济谱以及特定基因型与土壤环境之间的复杂相互作用方面仍存在显著的知识空白。本期特刊通过整合多学科见解填补了这些空白。在未来的研究中，研究人员应优先整合多组学数据以解析根系经济谱，从而使栽培品种基因型与特定土壤 - 微生物背景实现精确匹配。还有迫切需要开发针对特定表型（如绿叶类型）和本地土壤条件的精准施肥框架。此外，长期研究对于验证氮替代策略的可持续性至关重要，为下一代高效氮玉米生产系统铺平道路。
