氮素是植物生长的“粮食”，也是农业生产中投入最大、环境影响最显著的肥料。然而，全球玉米氮肥利用率长期低于30%，大量氮肥流失不仅造成经济损失，还引发了环境问题。尽管教科书上早已写到植物如何“消化”氮素，但这些关键酶在叶绿体内部如何“排兵布阵”以实现高效协同，长期以来是一个未被破解的科学难题。

　　在国家自然科学基金项目（批准号：32322060、32441031、32430074、32525007）等资助下，四川农业大学黄永财团队联合中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿团队，发现叶绿体中一种微小的脂滴结构——“质体小球（Plastoglobules, PGs）”是调控氮素利用的“空间指挥中心”。该发现打破了传统认知，揭示了关键因子在质体小球这一亚细胞器中通过区室化作用形成高效的“天然代谢体（metabolon）”，为作物氮素高效利用开辟了全新的分子设计路径。相关成果以“Plastoglobules Compartmentalize Nitrogen Assimilation in Maize”为题，于2026年6月3日在线发表于《自然》（Nature）上。论文链接为：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10610-8。

图 玉米区室化调控氮同化效率的模式图

　　从“被忽视的脂滴”到“氮代谢的中心”

　　质体小球常被视为叶绿体中储存脂质的“仓库”，主要在植物应对干旱、高温等逆境时发挥作用。该团队通过氮梯度实验，首次发现质体小球的数量会随氮素供应水平的升高而显著增加。这种现象在玉米、水稻、小麦等多种农作物中高度保守，表明质体小球是植物在演化中形成的一种核心代谢适应策略，也预示未来在应用改良中更广泛的潜能。这一发现为深入探究质体小球在氮素代谢中的功能打开了突破口。

　　揭示“流水线”式的微型工厂：代谢调控的范式创新

　　为了阐明质体小球如何参与氮素代谢，研究团队优化了玉米质体小球分离纯化流程，结合高精度质谱技术，在质体小球上鉴定到了两个关键的氮同化酶——ZmNIR2与ZmGLN1。如果把氮素同化比作工厂生产，这两个酶就是核心的“技术工人”，它们进入叶绿体后，会像“导航员”一样精准锚定在质体小球表面。更令人惊叹的是，它们在小球表面精准组装成一种精巧的“天然代谢体”，构建起一条高效的“流水线”。

　　精准“投送”：开辟作物分子设计育种新维度

　　该研究还发现，玉米体内存在一种独特的“空间投送”机制。ZmNIR2基因通过可变剪接产生两种“版本”的蛋白，其中一种能精准锚定在质体小球上，而另一种则因结构缺失无法到达目的地。通过对大量玉米材料的分析，证实了“能锚定在小球上的蛋白”比例越高，玉米的氮素利用能力就越强。基于此，研究团队通过分子设计手段，成功提升了该蛋白的比例，显著提高了玉米的氮肥利用效率。该研究揭示了育种的一个新规律：基因的功能不仅取决于表达量，还取决于蛋白产物的“空间定位”。通过对关键代谢酶进行“区室化改造”，能够为培育氮高效、产量高的绿色作物开辟全新的育种路径，对推动农业“减肥增效”、实现绿色可持续发展具有深远意义。

　　《Nature》同期发表题为“Hubs of metabolic activity optimize nitrogen use”的专题评述，评价该研究为理解植物代谢区室化提供了强有力的视角，指出该工作不仅深化了对作物氮素高效利用机理的认识，也为未来通过分子设计调控亚细胞微环境、培育氮高效作物提供了可直接应用的基因资源与育种策略。