在全球气候变化日益严峻、干旱灾害频发的背景下，世界粮食安全正面临巨大挑战。作为全球关键的饲料、粮食及经济作物，玉米在农业生产中占据着举足轻重的战略地位。然而，玉米对干旱胁迫极为敏感，尤其是开花期若遭遇干旱，极易引发严重的产量损失。由于玉米属于雌雄同株异花植物，其雄花序生于顶端而雌花序位于叶腋，这种空间上的分离使得授粉效率高度依赖雌雄花序发育的同步性。一旦开花期遭受干旱，雌花序的发育往往受到严重抑制，而雄花序受影响较小，导致两者发育不同步，即开花散粉与吐丝之间的间隔（ASI）显著延长。研究表明，ASI与产量呈极显著的负相关，ASI增大直接降低了花丝的授粉效率和结实率。尽管自20世纪80年代以来，国内外科研团队已利用QTL定位和全基因组关联分析等手段对ASI性状进行了广泛探索，但长期困扰学界的关键基因克隆及其背后的分子机制始终未能破解。
近日，中国农业大学生物学院、植物抗逆高效全国重点实验室秦峰教授团队在顶级学术期刊《Nature》上发表了题为《A SAUR gene enhances maize drought resilience by promoting silk elongation》的研究论文，成功揭开了这一科学谜题。
该研究团队选取了两份在干旱条件下ASI性状差异显著的玉米自交系构建分离群体，经过多年田间干旱胁迫下的表型鉴定与精细定位，最终克隆到了控制开花期抗旱性的关键基因ZmSAUR72。研究发现，在抗旱材料中，ZmSAUR72优异等位基因的启动子区域存在一段609-bp的特异性缺失，这一结构变异使得该基因在干旱胁迫下仍能在花丝中维持较高的表达水平。
进一步的生化、分子及细胞生物学实验证实，ZmSAUR72蛋白在花丝中特异高表达，它通过与质膜定位的蛋白磷酸酶ZmPP2C-D1发生互作，有效抑制了后者的磷酸酶活性；这一过程解除了ZmPP2C-D1对质膜H+-ATPase的抑制作用，进而激活了H+-ATPase。活化的H+-ATPase促进了质子外排和细胞壁酸化松弛，为花丝细胞的快速伸长提供了动力，从而显著缩短了干旱条件下的ASI，保障了雌穗及时吐丝授粉，最终提升了玉米在逆境下的产量稳定性。有趣的是，研究团队还通过基因编辑技术敲除ZmPP2C-D1基因，同样观察到了减小ASI和提高产量的效果，进一步验证了该调控通路的可靠性。
此外，通过对1011份玉米种质资源的深入分析发现，仍有约20%的材料携带含有609-bp插入的非优异等位基因，这意味着玉米抗旱育种潜力巨大。未来，利用基因组编辑或分子标记辅助选择技术，将这些优异等位基因精准引入栽培品种，将有望加速培育出抗旱稳产的新品种。该成果不仅阐明了干旱导致玉米ASI增大的分子机制，更为全球玉米抗旱遗传改良提供了重要的理论依据和技术支撑。此项研究的通讯作者为中国农业大学生物学院秦峰教授，博士后朱朝晖与教授杨志蕊共同担任第一作者。
