河南农业大学等单位联合在 Nature Genetics (Q1/29) 发文!基因组指导选育理想株型玉米,亩产显著提升
玉米是全球最重要的粮食作物之一，提高单位面积产量是保障粮食安全的核心路径。增加种植密度是增产关键，但传统育种依赖田间表型选择，周期长、效率低，且对株型调控的遗传机制理解有限。近日，河南农业大学联合多家单位在Nature Genetics发表重磅研究，系统解析了玉米耐密理想株型的遗传基础，通过基因组精准设计聚合优异等位基因，成功培育出适配高密度种植的高产玉米新品种，为作物分子设计育种提供全新范式。
通讯作者及单位及邮箱Yazhouwan National Laboratory, Sanya, China; College of Life Sciences, State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Subtropical Agro-Bioresources, South China Agricultural University, Guangzhou, Chinae-mail: wanghaiyang@yzwlab.cnState Key Laboratory of High-Efficiency Production of Wheat-Maize Double Cropping, College of Agronomy, Henan Agricultural University, Zhengzhou, Chinae-mail: chenyanhui@henau.edu.cn
核心内容结果 1：现代玉米育种中株型性状纯合优异等位基因持续富集。研究重构中国三个育种年代的 108 个代表性玉米杂交种，发现相对穗位高、穗上叶夹角、雄穗分枝数、散粉吐丝间隔期是耐密改良核心靶标；这些性状的改良，主要由纯合优异等位基因的持续积累驱动，而非杂种优势，且等位基因积累量与表型优化呈显著正相关。结果 2：图位克隆两个关键叶夹角调控基因 AIM1 与 SINAT4。通过精细定位，成功克隆两个控制叶夹角的主效基因ZmAIM1和ZmSINAT4；启动子区转座子插入是功能变异主因，Yu82TE 插入降低 AIM1 表达、D132TE 插入增强 SINAT4 表达，共同使叶夹角变小，适配密植。结果 3：GWAS 鉴定 6 个新的株型调控基因并完成功能验证。基于 447 份玉米自交系的全基因组关联分析，挖掘到 1010 个 SNP 位点与 585 个 InDel 位点，关联株高、穗位高、叶宽、叶长等性状；进一步验证ZmCOL6、ZmKRP16、ZmPDS10、ZmOXS3、ZmTAL1、ZmA3A16 个新基因，分别调控株高、穗位高、叶宽、叶长等关键株型性状。结果 4：基因组指导聚合优异等位基因改良玉锋 303 亲本系。以中国主栽高产杂交种玉锋 303为底盘，选用 4 个优异自交系为供体，通过前景选择、背景选择与配合力测定，培育 1 个改良母本系 Yu1122 和 4 个改良父本系（Yu303-3、Yu6086、Yu689、Yu338），显著优化株型结构。结果 5：培育 4 个耐密高产玉米新杂交种，产量提升 4.1–9.2%。用改良亲本配制豫单 783、豫单 792、豫单 776、豫单 739四个新杂交种；在 8 个环境、3 种密度下测试，新杂交种株型更紧凑、耐密性更强，最优密度达 82500 株 / 公顷，较玉锋 303 增产4.1–9.2%。
图解图 1：ZmAIM1 与 ZmSINAT4 的图位克隆及功能验证。展示两个叶夹角基因的精细定位区间、近等基因系表型差异、基因编辑与过表达株系的叶夹角变化，明确启动子转座子插入是叶夹角变异的关键因果变异。图 2：GWAS 鉴定调控株高 / 穗位高的 ZmCOL6、ZmKRP16、ZmPDS10。呈现三个基因的关联信号、单倍型分析、表达差异与过表达株系表型，证实其分别负调控或正调控株高、穗位高。图 3：GWAS 鉴定调控叶宽 / 叶长的 ZmOXS3、ZmTAL1、ZmA3A1。展示三个基因的关联位点、突变体与野生型的叶片形态对比，明确其对叶宽、叶长的调控效应。图 4：玉锋 303 亲本与供体自交系的表型、基因型及改良流程。对比玉锋 303 亲本与供体材料的株型差异，统计优异等位基因积累情况，呈现亲本改良的分子标记选择与配合力测定流程。图 5：5 个玉锋 303 改良亲本系的株型与基因型优化。展示改良亲本较原始亲本的株型紧凑化变化，统计全基因组株型位点优异等位基因的富集程度。图 6：4 个理想株型玉米杂交种的表型与产量提升。对比新杂交种与玉锋 303 的株型、叶夹角等性状，展示不同种植密度下的产量表现，证实密植增产效果。
展望本研究系统证明纯合优异等位基因聚合是玉米耐密理想株型育种的核心策略，成功建立 “基因挖掘 — 等位基因鉴定 — 基因组设计 — 品种培育” 的全链条育种体系。未来可继续挖掘株型与抗病、抗逆、高产协同基因，结合单倍体诱导编辑、基因组选择等技术，快速培育更优质的耐密玉米品种；该模式也可推广至水稻、小麦等主要粮食作物，为全球粮食安全提供高效、精准的育种解决方案。
