Nature Genetics | 河南農業大學聯合崖州灣國家實驗室建立玉米理想株型基因組精準設計育種新體系

玉米作為我國第一大糧食作物，通過增加種植密度來實現單產突破，是保障國家糧食安全的必然選擇。然而，隨著種植密度的增加，倒伏風險加劇、群體光能利用率下降等問題日益凸顯。培育株型緊湊、耐密抗倒的“理想株型”新品種，已成為各種業強國的核心競爭焦點。

3月17日，河南農業大學陳彥惠團隊聯合崖州灣國家實驗室王海洋團隊，在國際知名期刊Nature Genetics發表了題為Breeding Ideotype Maize with Enhanced Yield Through Genomics-guided Pyramiding of Favorable Alleles的研究論文。該研究歷時多年，系統解析了中國玉米雜交種在現代育種過程中的基因組演變規律，成功鑒定并克隆了多個調控玉米耐密株型的關鍵基因?；诖?，團隊開發了一套“基因組指導的理想株型精準設計”育種技術體系。利用該技術，團隊成功對曾主導我國玉米生產的經典高產雜交種進行了精準改良，培育出了一系列耐密性顯著增強、產量得到提升的新品種。該研究成果不僅揭示了玉米高產育種背后的遺傳機制，更標志著我國玉米育種正在從傳統的“經驗選擇”向高效的“精準設計”邁出跨越性的一步。

主要研究結果如下：

1. 揭秘半個多世紀以來我國玉米育種規律：優異等位基因的“累積效應”是株型改良的核心驅動力

為了探究玉米品種如何適應不斷增加的種植密度，研究團隊收集、創制并重新種植了中國跨越三個育種時代（1960s-2010s）的108份代表性玉米雜交種。通過多年多點的表型精準鑒定，研究發現：隨著育種年代的更替，現代玉米雜交種的株型明顯向著“穗位降低、葉夾角變?。ㄈ~片直立）、雄穗分枝數減少、散粉吐絲間隔期縮短”的方向演變（圖1a–d）。

結合全基因組關聯分析（GWAS）的結果，團隊揭示了這一演變背后的遺傳機制：純合優異等位基因（Homozygous Favorable Alleles）的累積起到了決定性作用。在現代育種過程中，育種家雖然依靠的是表型選擇，但在基因組層面，實際上是在不斷累積那些能夠優化株型（如降低穗位、使葉片直立）的優異等位基因（圖1e–j）。這一發現為從基因組層面直接設計理想株型提供了理論依據。

此外，本研究還發現，除了株高和穗位高表現出中等程度的雜種優勢外，大多數株型性狀（如相對穗位高、葉夾角、葉長、葉寬、雄穗分枝數等）受雜種優勢的調節作用較弱。這一發現進一步確立了“通過在親本中聚合優異等位基因”來改良株型性狀的理論基礎。

圖1. 108份不同世代玉米雜交種的株型改良與純合優異等位基因的累積分析

2. 構建耐密育種精準“靶點庫”：8個株型調控基因及其優異等位變異的鑒定與功能解析

基因資源的匱乏一直是制約耐密玉米育種的瓶頸。研究團隊構建了大規模的遺傳群體，綜合利用圖位克隆和GWAS技術，成功鑒定并功能驗證了8個調控玉米株型的重要基因（圖2）。

團隊首先通過圖位克隆技術鑒定了兩個調控穗上部葉夾角的重要基因ZmAIM1和ZmSINAT4（圖2）。研究發現，這兩個基因通過啟動子區域的轉座子插入變異，精細調控基因表達量，從而改變穗上部的葉片夾角。此外，團隊還通過GWAS挖掘了一批株型重要調控基因，包括調控株高和穗位高的基因ZmCOL6、ZmKRP16和ZmPDS10，調控葉寬的基因ZmOXS3和ZmTAL1，以及調控葉長的基因ZmA3A1（圖2）。利用CRISPR/Cas9基因編輯、轉基因過表達、Ac/Ds轉座子及EMS突變體等多種技術手段，團隊對這8個關鍵基因的生物學功能進行了嚴格且系統的驗證。

結合雙列雜交群體遺傳分析，團隊發現這8個基因主要表現為加性效應或極弱的雜種優勢。這一特性意味著這些基因非常適合在親本中進行多基因聚合。最終，團隊成功鑒定了所有基因的優異單倍型，并開發了配套的分子標記。這些基因資源及其分子工具的開發，為玉米耐密育種提供了精準的“基因靶點”和高效的“導航系統”。

圖2. 8個株型調控基因的克隆與功能驗證

3. 實現從理論到實踐的跨越：“基因組指導的精準設計”育種技術體系

為了驗證“基因組設計”育種的可行性，團隊提出并實施了一套全新的“基因組指導的優異等位基因聚合（Genomics-guided Pyramiding of Favorable Alleles）”育種策略（圖3），具體包括：

（1）優選育種底盤：團隊選取了一個曾主導我國玉米生產的經典高產雜交種作為改良底盤。該品種雖然產量潛力巨大（果穗大、千粒重高、結實率好、出籽率高），但存在株型松散、耐密性不足（株高/穗位較高、葉夾角和葉面積大；適宜密度約4500株/畝）的短板（圖3a–b）。基因組大數據分析證實，其基因組在關鍵株型位點上確實缺乏足夠的優異等位基因累積，具有巨大的改良空間。

（2）精準篩選供體自交系：利用全基因組信息，從眾多種質資源中精準篩選出CB28、Yu82、Chang7-2和Yu866四個優異自交系作為供體（圖3a–b）。這些供體不僅株型緊湊、耐密性強，且在基因組層面富集了大量可彌補底盤親本缺陷的株型優異等位基因（圖3c）。

（3）構建“多性狀、多基因”的協同改良體系：針對傳統育種和研究中“單一基因改良單一性狀”往往難以實現株型整體優化的局限，團隊確立了全方位、多層次的協同改良新方案。改良目標不再局限于某一局部，而是涵蓋了株高、穗位高、葉夾角、葉長、葉寬等5大關鍵株型性狀的系統性重塑；改良靶點也實現了從“單點突破”到“集群作戰”的跨越：集成了本研究克隆的8個株型調控基因以及GWAS鑒定的全基因組范圍內1000多個微效位點。這種“多性狀、多基因”的協同改良體系，確保了底盤雜交種在耐密性上的徹底“脫胎換骨”。

（4）實施多基因精準聚合：綜合利用上述基因資源，通過分子標記輔助的前景和背景選擇，對底盤雜交種的兩個親本基因組進行精準的定向升級（圖3d）。

圖3. 供體自交系的選擇及“基因組指導的優異等位基因聚合”育種策略

最終，團隊成功選育出4個株型顯著改良的玉米新雜交種（圖4a）。基因組測序證實，所有改良品種均成功累積了更高比例的株型優異等位基因（圖4b）。多環境田間測試表明，這些“升級版”雜交種不僅保留了底盤雜交種的高產特性，更展現出更強的耐密性：株高和穗位高降低、穗上部葉片直立、葉片面積減小，適宜種植密度提升至5000-5500株/畝（圖4c–d）。在8個不同環境的嚴格測試中，新雜交種在高密度種植條件下較對照底盤雜交種增產4.1%–9.2%，實現了密植條件下的產量突破（圖4d）。

圖4. 選育的4個玉米新雜交種與底盤雜交種在株型和耐密高產等方面的比較

4. 意義與展望：為國家糧食安全注入“中國芯”

該研究是河南農業大學和崖州灣國家實驗室在玉米遺傳育種領域的又一重要成果。它不僅在理論上解析了玉米耐密高產的遺傳基礎，更在實踐中建立了一套可復制、可推廣的“基因組精準設計”育種模式。該成果證明，利用基因組大數據和現代生物技術，育種家可以不再“盲人摸象”，而是能夠像工程師設計機器一樣，對作物進行“精準圖紙設計”和“定向組裝”。這一技術的應用，將極大地加速我國玉米新品種的更新換代，為打贏種業翻身仗、保障國家糧食安全提供強有力的科技支撐。

河南農業大學陳彥惠教授、崖州灣國家實驗室首席科學家王海洋教授為論文共同通訊作者。河南農業大學姚文副教授、庫麗霞教授、中國農科院生物技術研究所王寶寶研究員和河南農業大學任真真副教授為論文共同第一作者。李成偉教授、陳甲法副教授、蘇慧慧副教授等參與了該項研究。研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、河南省農業（玉米）良種聯合攻關等項目的資助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41588-026-02522-0