玉米作为我国种植面积最大的作物，具有极高的经济价值。玉米属于禾本科植物，不具有豆科植物形成根瘤进行生物固氮的功能，在农业生产过程中高度依赖氮肥。众所周知，氮肥会通过气体逸散或者雨水淋失进入大气和水体中对环境造成污染。因此提高玉米氮素利用效率，减少氮肥施用不仅是降低农业生产成本的有效举措，也是实现绿色农业，响应国家节能环保政策的必然选择。
2025年3月5日中国农业大学生物学院张静课题组在Nat Plants在线发表题为Ferredoxin-mediated mechanism for efficient nitrogen utilization in maize的研究论文，该研究发现调控玉米氮同化速率的新机制，为提升玉米氮素利用效率及减氮条件下玉米增产提供了新的遗传理论基础。
该研究利用340份玉米自交系进行全基因组关联分析，定位到了一个调控玉米地上部硝酸根含量的基因ZmNCRG1，该基因编码一个铁氧还蛋白ZmFd4，该蛋白可以将光系统Ⅰ（PSⅠ）中产生的电子传递至亚硝酸还原酶（ZmNiRs）并促进其活性，为亚硝酸根同化提供还原力。但是研究者发现Zmfd4突变体在减氮条件下却表现出相较于野生型更高的氮同化效率和田间产量。为了解析这一生理现象，研究者进一步发现ZmFd4可以与其功能十分类似的同源蛋白ZmFd9互作。相较于其他ZmFd蛋白，ZmFd4与ZmFd9蛋白对NiR活性的促进作用最为显著。后续研究证明了ZmFd4与ZmFd9具有较高的亲和力，可以形成复合体。因此，虽然单体的ZmFd4与ZmFd9都能高效率促进ZmNiRs活性，但当二者同时存在时，它们的相互作用限制了各自与ZmNiRs的结合，从而抑制了其对ZmNiR活性的促进作用，最终导致玉米氮同化效率下降。综上所述，该研究从分子机制的层面为玉米氮高效自然变异提供了新的见解，有助于推进玉米乃至其他作物氮高效的遗传改良。
该研究在中国农业大学植物抗逆高效全国重点实验室完成，张静教授课题组博士后贾冠南，博士研究生陈国经纬、张兆恒为论文共同第一作者，张静教授为通讯作者。此外，中国农业大学巩志忠教授、郭岩教授，奥地利科学技术研究所Jiří Friml教授，中国科学院植物研究所杨文强研究员，中国科学技术大学孙林峰教授等专家也参与指导了本项工作。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目经费的支持。张静教授团队致力于植物/作物氮高效分子机制解析，相关研究成果发表在PNAS、Dev Cell、Adv Sci、Nat Commun等国际主流学术期刊。欢迎对相关研究方向感兴趣的博士生及博士后研究人员加入团队。