近日，北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米所趙久然研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中科院遺傳發(fā)育所傅向東研究員團(tuán)隊(duì)在國際知名學(xué)術(shù)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(gòu)建了驅(qū)動(dòng)新一輪農(nóng)業(yè)變革的理論框架與技術(shù)路徑，為突破玉米產(chǎn)量瓶頸、推動(dòng)農(nóng)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(jì)“綠色革命”通過培育半矮稈小麥和水稻，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)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(guān)鍵一員”。傳統(tǒng)高稈玉米在高密度種植下倒伏風(fēng)險(xiǎn)劇增、養(yǎng)分利用效率偏低，嚴(yán)重制約了產(chǎn)量提升潛力和環(huán)境可持續(xù)性。如何實(shí)現(xiàn)玉米株型結(jié)構(gòu)的突破性改良，進(jìn)而引領(lǐng)一場兼顧高產(chǎn)與資源高效利用的“可持續(xù)綠色革命”，是當(dāng)前作物科學(xué)領(lǐng)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(diào)控的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，包括赤霉素（GAs）、油菜素內(nèi)酯（BRs）、生長素（Auxin）等信號通路及關(guān)鍵基因（如ZmGA20ox3/5, br2, d8, d9）。重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了通過組織特異性調(diào)控（如莖稈特異啟動(dòng)子）和精準(zhǔn)基因編輯，創(chuàng)制目標(biāo)株高（220-250 cm）的“半矮稈”玉米新品種。該策略可在顯著增強(qiáng)抗倒伏能力、提高收獲指數(shù)的同時(shí)，有效規(guī)避傳統(tǒng)矮化突變體對生殖發(fā)育和產(chǎn)量的負(fù)面影響，這是利用半矮稈雜交品種的核心基礎(chǔ)。

 

　　單純降低株高并不足以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)高產(chǎn)目標(biāo)，必須同步進(jìn)行理想株型設(shè)計(jì)與氮素利用效率（NUE）提升（圖1）。通過調(diào)控關(guān)鍵基因（如lac1, RAVL1, SCL28, ZmCIPK15）優(yōu)化葉片空間構(gòu)型（直立葉夾角）、塑造緊湊冠層結(jié)構(gòu)、改良根系構(gòu)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(guān)鍵氮素吸收（如高親和硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)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(guān)優(yōu)異等位變異或表達(dá)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(jī)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(guān)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(shù)在半矮稈玉米育種中的核心作用。通過整合多組學(xué)數(shù)據(jù)、解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能、預(yù)測最優(yōu)等位變異組合、設(shè)計(jì)新基因型以及模擬復(fù)雜性狀互作網(wǎng)絡(luò)，AI驅(qū)動(dòng)的“閉環(huán)式智能育種”（AI-driven closed-loop）將實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)式選擇向“設(shè)計(jì)育種”的根本性轉(zhuǎn)變，極大提升育種精準(zhǔn)度與效率，顯著縮短育種周期。

 

　　我國于2024年頒發(fā)了首個(gè)主糧作物（半矮稈玉米）基因編輯生物安全證書，標(biāo)志著我國在該領(lǐng)域正式邁入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用新階段。本文構(gòu)建的理論和技術(shù)體系，為培育具有抗倒伏、高產(chǎn)、高效、宜機(jī)收等綜合優(yōu)良性狀的新一代玉米品種奠定了基礎(chǔ)。在我國適宜玉米主產(chǎn)區(qū)（高密度種植、機(jī)械化水平高、灌溉條件好的區(qū)域），推廣應(yīng)用該類型的半矮稈玉米可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量和資源利用效率的雙提升，并可有效應(yīng)對糧食安全、氣候變化和環(huán)境保護(hù)的挑戰(zhàn)。這不僅是完成經(jīng)典綠色革命在玉米上的“未竟之業(yè)”，更是面向未來農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新模式。

 

　　北京市農(nóng)林科學(xué)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(nóng)業(yè)科技項(xiàng)目、農(nóng)業(yè)生物育種國家科技重大專項(xiàng)、北京學(xué)者計(jì)劃和北京市農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新能力建設(shè)專項(xiàng)等項(xiàng)目支持。