研究背景
氮素是植物生长发育所需的主要营养元素之一，对玉米产量具有关键影响。挖掘氮代谢通路中的关键调控基因，有助于提升玉米氮素利用效率（NUE）。NLP（NIN-like proteins）是一类植物特有的转录因子，在调节氮代谢过程中发挥重要作用。
文章信息
2025年9月4日，江苏省农业科学院玉米研究中心赵涵研究员团队在《The Crop Journal》在线发表题为“The transcription factor ZmNLP5 increases maize grain yield by regulating nitrogen assimilation genes”的研究论文。该研究揭示了转录因子ZmNLP5通过正向调控氮代谢关键基因表达，显著提升玉米籽粒产量。
研究内容
转录组分析揭示ZmNLP5调控氮代谢相关基因
研究人员对低氮条件下培养的zmnl5突变体及其野生型（WT）根部进行RNA-seq分析。结果显示，在野生型中30,786个基因发生转录，突变体中为30,352个。共鉴定出5716个差异表达基因（DEGs），其中3945个在野生型中上调，1771个下调。GO富集分析表明这些基因主要参与氮代谢过程。多个氮吸收与同化关键基因如ZmNRT1.1A、ZmNRT1.1D、ZmNRT2.1、ZmNR1.1、ZmNR2.1、ZmNIR1.1、ZmNIR1.2、ZmGS4和ZmAS1在野生型中表达上调。此外，ZmNLP5缺失还影响碳代谢相关基因ZmISO3和ZmSUS2的表达，说明其在转录水平上广泛调控氮与碳代谢通路。
ChIP-seq揭示ZmNLP5直接靶基因
通过染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）分析，全基因组范围内鉴定到18,261个ZmNLP5结合峰，其中8280个位于基因区域（TSS上游1kb至TTS下游1kb），峰值集中在TSS附近约100bp内。整合DEGs与潜在结合位点后，确定581个ZmNLP5直接靶基因，包括363个激活基因和218个抑制基因，主要富集于氨基酸代谢过程。进一步检测发现，zmnlp5突变体中12种游离氨基酸含量显著下降，表明ZmNLP5参与维持氨基酸稳态。
Fig. 1. Identification of ZmNLP5 targets combining transcriptomic profiling and ChIP-seq analysis.
ZmNLP5直接结合并激活氮代谢基因启动子
ZmNLP5可结合多个氮信号传导与同化关键基因的启动子区域，包括ZmNRT1.1D、ZmNR2.1、ZmGS4、ZmAS1、ZmLBD6和ZmMYB。酵母单杂交（Y1H）实验验证了ZmNLP5与上述基因启动子的直接互作。这些启动子均含有保守的氮响应顺式元件（NREs），特征序列为“CTTN9AAG”或“CTTN10AAG”。EMSA实验进一步证实ZmNLP5的RWP-RK结构域能特异性结合ZmLBD6启动子中的NRE序列。
双荧光素酶实验验证ZmNLP5的转录激活功能
在本氏烟草叶片中进行双荧光素酶瞬时表达实验，以35S驱动ZmNLP5作为效应子，目标基因启动子驱动LUC作为报告系统。结果表明，当ZmNLP5与ZmNRT1.1D、ZmGS4、ZmAS1、ZmLBD6和ZmMYB共表达时，LUC信号显著增强，证明ZmNLP5具备反式激活能力，能直接启动这些基因的表达。
Fig. 2. ZmNLP5 directly activates the expression of genes involved in nitrogen metabolism.
ZmNLP5过表达促进植株生长与生物量积累
在正常氮（NN）和低氮（LN）水培条件下，ZmNLP5过表达株系（OE8和OE11）株高显著增加。与非转基因对照相比，幼苗生物量在NN下平均提高41.8%，LN下提高38.3%。同时，其靶基因（ZmNRT1.1D、ZmNR2.1、ZmNIR1.1、ZmGS4、ZmAS1、ZmLBD6、ZmMYB）表达水平显著上升。此外，过表达植株根部和地上部的硝酸盐、亚硝酸盐、铵盐及总氮含量均高于野生型（除地上部铵盐外），表明ZmNLP5正向调控氮吸收与同化能力。
Fig. 3. Phenotypic analysis of the ZmNLP5 transgenic seedlings grown under NN or LN hydroponic conditions.
Fig. 4. Nitrate, nitrite, ammonium, and nitrogen contents in root and shoot tissues of B104 and ZmNLP5 transgenic plants grown for 21 d in hydroponic culture on NN (15 mmol L−1 KNO3) solution and LN (0.15 mmol L−1 KNO3) solution.
田间试验验证ZmNLP5对产量的提升作用
在成熟期田间试验中，ZmNLP5过表达植株表现出更优的农艺性状：株高、生物量、穗叶长宽及穗位节宽度均增加，且在NN条件下增幅更大。NN下生物量提升38.4%，LN下提升21.9%。SPAD值、硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性均增强，穗叶氮含量在NN下提高12.2%，LN下提高22.5%。
产量测定显示，过表达株系籽粒总氮含量在NN下提高15.4%，LN下提高23.7%；穗重增加，谷物产量在NN下平均提升16%，LN下提升12.5%。
Fig. 5. Phenotype detection of B104 and ZmNLP5 transgenic plants in mature period on NN and LN conditions.
Fig. 6. ZmNLP5 overexpression improved grain yield.
多遗传背景验证ZmNLP5的功能稳定性
将ZmNLP5突变体和过表达等位基因导入郑单958亲本自交系Zheng58和Chang7-2，并构建相应杂交组合（Zhengdan958-Mu和Zhengdan958-OE），在NN和LN条件下开展田间试验。
结果表明，ZmNLP5缺失导致Zheng58-Mu、Chang7-2-Mu和Zhengdan958-Mu株高和穗位节宽度降低；而过表达株系则显著提升。在自交系背景下，ZmNLP5功能缺失使产量在NN下下降24.2%，LN下下降27.3%；过表达则分别增产17.2%（NN）和14.8%（LN）。在Zhengdan958杂交种背景下，过表达使产量提升17.2%（NN）和13.9%（LN），而敲除系产量下降20.7%（NN）和24.8%（LN）。
该结果证实ZmNLP5在不同遗传背景下均能有效促进植株生长并提高籽粒产量。
Fig. 7. ZmNLP5 affected the maize height, ear node width, and grain yield in both inbred and hybrid lines.
研究结论及意义
ZmNLP5通过协同调控氮吸收、同化及相关信号通路基因，积极调节玉米氮代谢。过表达该基因可显著提升植株氮素积累能力和籽粒产量，是改良玉米氮效率（NUE）的重要候选基因，具有广阔的应用前景，并可能适用于其他作物的氮高效育种。