近日，北京市農林科學院玉米所趙久然研究員團隊聯(lián)合中科院遺傳發(fā)育所傅向東研究員團隊在國際知名學術期刊《Molecular Plant》 (最新影響因子24.1) 發(fā)表了題為“Reinventing a Sustainable Green Revolution by Breeding and Planting Semi-dwarf Maize” (重塑可持續(xù)綠色革命：半矮稈玉米的育種與種植)的Perspective（前瞻性）綜述。該論文系統(tǒng)構建了驅動新一輪農業(yè)變革的理論框架與技術路徑，為突破玉米產量瓶頸、推動農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了系統(tǒng)性、前瞻性的解決方案。
上世紀“綠色革命”通過培育半矮稈小麥和水稻，實現(xiàn)了產量的飛躍。然而，作為全球第一大作物、飼料和工業(yè)原料核心來源的玉米，卻成為這場革命中“缺失的關鍵一員”。傳統(tǒng)高稈玉米在高密度種植下倒伏風險劇增、養(yǎng)分利用效率偏低，嚴重制約了產量提升潛力和環(huán)境可持續(xù)性。如何實現(xiàn)玉米株型結構的突破性改良，進而引領一場兼顧高產與資源高效利用的“可持續(xù)綠色革命”，是當前作物科學領域亟待解決的核心問題。
綜述首次創(chuàng)新提出了“半矮稈+理想株型+高氮效率”三位一體的玉米系統(tǒng)化協(xié)同育種新模式。論文深度解析了玉米株高調控的復雜網絡，包括赤霉素(GAs)、油菜素內酯(BRs)、生長素(Auxin)等信號通路及關鍵基因（如ZmGA20ox3/5,br2,d8,d9）。重點強調了通過組織特異性調控（如莖稈特異啟動子）和精準基因編輯，創(chuàng)制目標株高（220-250cm）的“半矮稈”玉米新品種。該策略可在顯著增強抗倒伏能力、提高收獲指數(shù)的同時，有效規(guī)避傳統(tǒng)矮化突變體對生殖發(fā)育和產量的負面影響，這是利用半矮稈雜交品種的核心基礎。
圖1?適合高密度種植的半矮稈玉米的結構特征
單純降低株高并不足以實現(xiàn)可持續(xù)高產目標，必須同步進行理想株型設計與氮素利用效率（NUE）提升（圖1）。通過調控關鍵基因（如lac1,RAVL1,SCL28,ZmCIPK15）優(yōu)化葉片空間構型（直立葉夾角）、塑造緊湊冠層結構、改良根系構型，可提高光合效率和土壤養(yǎng)分吸收利用效率。通過整合關鍵氮素吸收（如高親和硝酸鹽轉運蛋白基因?ZmNRT1.1B）、同化（如谷氨酰胺合成酶基Gln1-3/4）、再利用（如天冬酰胺合成酶基因THP9）相關優(yōu)異等位變異或表達模塊，可顯著提升氮素利用效率。論文系統(tǒng)梳理了這些性狀的分子機制，并借鑒水稻（GRF4,NGR5,OsDREB1C）、小麥（ZnF-B缺失）等作物的最新研究突破，提出了克服傳統(tǒng)綠色革命矮稈品種普遍存在的NUE偏低這一關鍵限制因素的分子策略。
論文前瞻性地描繪了人工智能（AI）等現(xiàn)代生物技術在半矮稈玉米育種中的核心作用。通過整合多組學數(shù)據(jù)、解析蛋白質結構與功能、預測最優(yōu)等位變異組合、設計新基因型以及模擬復雜性狀互作網絡，AI驅動的“閉環(huán)式智能育種”（AI-driven closed-loop）將實現(xiàn)從傳統(tǒng)經驗式選擇向“設計育種”的根本性轉變，極大提升育種精準度與效率，顯著縮短育種周期（圖2）。
圖2?AI技術驅動的半矮稈玉米育種
我國于2024年頒發(fā)了首個主糧作物（半矮稈玉米）基因編輯生物安全證書，標志著我國在該領域正式邁入產業(yè)化應用新階段。本文構建的理論和技術體系，為培育具有抗倒伏、高產、高效、宜機收等綜合優(yōu)良性狀的新一代玉米品種奠定了基礎。在我國適宜玉米主產區(qū)（高密度種植、機械化水平高、灌溉條件好的區(qū)域），推廣應用該類型的半矮稈玉米可實現(xiàn)產量和資源利用效率的雙提升，并可有效應對糧食安全、氣候變化和環(huán)境保護的挑戰(zhàn)。這不僅是完成經典綠色革命在玉米上的“未竟之業(yè)”，更是面向未來農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新模式。
北京市農林科學院趙久然研究員和中科院遺傳發(fā)育所傅向東研究員為共同通訊作者，肖森林博士、宋偉研究員、王榮煥研究員為共同第一作者。該工作得到北京市鄉(xiāng)村振興農業(yè)科技項目、農業(yè)生物育種國家科技重大專項、北京學者計劃和北京市農林科學院科技創(chuàng)新能力建設專項等項目支持。
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