研究背景
玉米苞叶作为包裹穗部的修饰叶，在抵御病原菌侵染、营养转运及籽粒产量维持中发挥关键作用。尽管已有较多关于苞叶表型与生理的研究，但其发育的遗传基础，尤其是苞叶宽度的自然遗传变异机制，仍缺乏系统解析。
文章介绍
2025年1月，中国农业大学贺岩课题组在《Plant Biotechnology Journal》发表题为“Natural variation in ZmNRT2.5 modulates husk leaf width and promotes seed protein content in maize”的研究论文。该团队通过全基因组关联分析（GWAS）鉴定出调控玉米苞叶宽度的关键基因ZmNRT2.5，该基因编码一个硝酸盐转运蛋白，并在苞叶组织中特异表达。研究成果揭示了ZmNRT2.5在调控苞叶发育和籽粒蛋白含量中的双重功能，为玉米分子育种提供了重要靶点。
主要研究技术
GWAS、RT-qPCR、GUS检测、转基因、扫描电镜（SEM）、荧光素酶互补实验（LUC）、Pull-down、BiFC、RNA-seq
核心研究内容
ZmNRT2.5自然变异与苞叶宽度相关
研究人员对508个玉米自交系在三种环境下的第三个苞叶宽度进行测定，并结合556,944个SNP开展GWAS分析，发现55个显著关联位点，其中最显著信号位于ZmNRT2.5基因编码区。对该基因在156个自交系中的重测序显示，一个位于3'端的3 bp InDel（InDel1604）与苞叶宽度相关性最强，可能是因果变异。据此划分Hap1（含苏氨酸插入）和Hap2（无插入）两个单倍型组，Hap2自交系苞叶更宽，且苞叶、叶片及籽粒中NO₃⁻含量显著高于Hap1，表明ZmNRT2.5的自然变异影响苞叶形态与氮素积累。
图1 ZmNRT2.5编码序列的自然变异与玉米壳叶宽度相关
ZmNRT2.5与ZmNPF5互作调控苞叶发育
ZmNRT2.5在苞叶发育早期高表达，GUS染色显示其启动子活性主要集中于发育苞叶，亚细胞定位证实其定位于质膜。虽然不同单倍型间转录水平无显著差异，但蛋白序列分析提示C端苏氨酸的存在可能影响翻译后修饰与蛋白互作。LUC、BiFC和Pull-down实验证实ZmNRT2.5与ZmNPF5相互作用，且Hap2型互作强度高于Hap1型。进一步GWAS分析发现ZmNPF5启动子区SNP-542与其表达及苞叶宽度显著相关。联合单倍型分析表明，NRT2.5-Hap2/NPF5-Hap2组合具有最宽苞叶，说明二者协同调控苞叶宽度。
图2 ZmNRT2.5与ZmNPF5相关
ZmNRT2.5正向调控苞叶宽度
通过CRISPR/Cas9和EMS诱变获得ZmNRT2.5功能缺失突变体zmnrt2.5-1和zmnrt2.5-2，回交三代后表型分析显示，突变体第三苞叶显著变窄，而其他农艺性状未受影响。过表达植株（OE#1、OE#2）苞叶则明显增宽，证实ZmNRT2.5为苞叶宽度的正调节因子。扫描电镜观察发现，突变体苞叶细胞数量不变，但细胞宽度减小，表明其通过促进细胞扩展而非细胞分裂影响苞叶宽度。遗传互补实验显示ZmNRT2.5与已知基因RHW1独立作用，共同调控苞叶形态。
图3 ZmNRT2.5正调控玉米苞叶宽
ZmNRT2.5参与硝酸盐转运并响应氮素环境
ZmNRT2.5属于高亲和硝酸盐转运系统成员，其表达在低氮条件下显著上调。在高氮和低氮环境下，zmnrt2.5-1突变体苞叶均比野生型窄，且低氮下更明显。突变体苞叶和籽粒中NO₃⁻含量显著降低，而过表达株系则升高，表明ZmNRT2.5介导硝酸盐从苞叶向籽粒的转运，尤其在氮胁迫条件下发挥重要作用。
图4 高氮和低氮条件下玉米苞叶、苞叶和籽粒中NO₃⁻含量的变化
转录组揭示ZmNRT2.5影响硝酸盐响应通路
对V12期穗部进行RNA-seq分析发现，在高氮和低氮条件下，zmnrt2.5-1突变体分别有1685/1843和888/1101个差异表达基因。GO富集分析显示，上调基因中“硝酸盐运输”相关条目显著富集，RT-qPCR验证了多个氮响应基因的表达变化，表明ZmNRT2.5功能缺失会重塑氮代谢相关基因网络，进而影响硝酸盐转运与细胞形态建成。
图5 转录组分析揭示了高氮和低氮条件下硝酸盐转运相关基因的表达变化
ZmNRT2.5提升籽粒蛋白质含量不牺牲产量
Hap2自交系种子蛋白含量较Hap1高出5.7%。功能缺失突变体籽粒蛋白含量显著下降。研究将zmnrt2.5-1等位基因导入郑58和昌7-2，培育出ZD958背景的功能缺失杂交种ZD958-ZmNRT2.5-1，其籽粒蛋白含量由8.8%降至8.1%，降幅达8.05%，但产量及其他农艺性状无显著差异。相反，ZmNRT2.5过表达株系籽粒蛋白含量显著提高。结果表明，ZmNRT2.5可在不影响产量的前提下有效提升玉米种子蛋白品质。
图6 ZmNRT2.5不同基因型玉米籽粒蛋白质含量与产量的关系
研究结论与意义
本研究系统解析了ZmNRT2.5在调控玉米苞叶宽度和籽粒蛋白含量中的分子机制，揭示其通过调控细胞扩展影响苞叶发育，并介导硝酸盐从苞叶向籽粒的高效转运，从而提升种子蛋白含量。该基因的自然变异可作为分子标记用于玉米优质育种，具备在不降低产量前提下改良蛋白质品质的应用潜力。
原文信息：Wang Q, Wang M, Xia A A, et al. Natural variation in ZmNRT2.5 modulates husk leaf width and promotes seed protein content in maize[J]. Plant Biotechnology Journal, 2025.