他们找到玉米抗旱的“密钥”

（来源：饲料行业信息网）

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　　植株顶部雄穗花粉已散尽，中部雌穗花丝还没有长出苞叶，导致无法授粉结实。

　　每年7月至8月，新疆戈壁滩的地表温度时常突破60℃，这是一年中最炎热、干旱的时节。每年这个时候，中国农业大学生物学院教授秦峰团队的师生们都会蹲守在玉米试验田里，一株一株地记录雄穗散粉与雌穗吐丝的具体时间。

　　这个被称为“散粉-吐丝间隔(ASI)”的微小数值，是决定玉米在旱年是否减产甚至绝收的关键，其背后的遗传奥秘一直悬而未决。

　　历经十余年，秦峰团队最终完成了这场从现象到基因的完整“解码”，他们发现并克隆了调控玉米ASI性状的基因及其编码蛋白ZmSAUR72。ZmSAUR72基因在花丝中特异高表达，并受到干旱胁迫的抑制。这一发现为培育抗旱稳产玉米新品种提供了重要的理论和技术支撑。近日，相关研究成果发表于《自然》。

　　悬置数十年的遗传难题

　　论文通讯作者秦峰告诉《中国科学报》，干旱胁迫，尤其是开花期(抽雄吐丝期)的干旱，对我国乃至世界玉米生产构成了严重威胁。

　　这种威胁源于玉米独特的生殖结构。玉米是雌雄同株异花植物，雄穗位于植株顶端，雌穗(玉米棒)长在植株中部叶腋处。正常授粉需要雄穗散出的花粉精准落在雌穗吐出的花丝上。

　　然而，干旱会严重破坏这一精密的同步性。“干旱发生以后，雌雄花序的发育就不协调了。”秦峰解释道，“一般情况下是雄穗能够相对正常地散粉，而雌花序的吐丝时间会大幅延迟。”这导致花粉已随风散尽，花丝才迟迟吐出，两者时间窗口错开，授粉无法完成。

　　“玉米花粉的活力一般是24小时。”秦峰说，“如果散粉和吐丝间隔超过了5天，产量可能会下降50%以上。”这个间隔天数(ASI)，成为衡量玉米开花期抗旱性的重要指标。

　　如何破解ASI的遗传密码，培育抗旱稳产品种?这不仅是育种家的梦想，更是科学界自20世纪80年代以来持续攻关的经典难题。国内外多个团队通过数量性状位点(QTL)定位等方法进行探索，但相关工作大都止步于遗传位点的初步鉴定，其基因克隆和分子机制问题一直悬而未决。

　　“四十多年来，一直没人能克隆主效基因。”秦峰说，“我们就想搞清楚。”

　　在“火洲”新疆田间地头“大海捞针”

　　从群体构建到基因克隆，是一个漫长而艰难的排除过程。

　　2012年，秦峰团队正式着手攻克这个难题。在随后的6年时间里，他们在各地搜集来的玉米材料中“海选”，终于发现了两份ASI差异显著的材料：一份在干旱条件下雄穗散粉和雌穗吐丝几乎不受影响，仍然能正常完成授粉并保持稳定产量;另一份则在干旱条件下散粉和吐丝时间间隔过大，导致几乎不能授粉，甚至绝收。

　　他们将这两份材料作为亲本，建立了杂交后代遗传群体，并从2018年起在“火洲”新疆开始了4年的田间实验——每年对群体中数千个单株进行精确的基因型鉴定和严格的田间表型调查。

　　论文共同第一作者、中国农业大学教授杨志蕊解释说，新疆夏季极度干燥、降雨稀少，能最大程度排除自然降雨干扰，实现对灌溉水分的精准控制。然而，这也意味着团队成员必须直面严酷的自然环境。

　　论文共同第一作者、中国农业大学博士后朱朝晖每年夏天都要在新疆进行表型调查。他告诉记者，表型调查是极其枯燥的，是对体力与耐心的双重考验。“每天至少要到地里观察每一棵植株1至2次”，逐株检查、记录每株玉米雄穗散粉和雌穗吐丝的精确时间，以计算ASI。由于不同材料的散粉、吐丝时间不一样，表型鉴定要持续40至50天。

　　然而，精准控制水分才是实验成败的生命线。为此，他们在田间埋设土壤水势探头，实时监测水分状况，并依靠多年经验，在玉米生长前期正常灌溉以保证植株健康，在开花期则精准控制灌水量以制造“合适的干旱胁迫”。

　　“取表型数据那几年正好赶上新冠疫情。”朱朝晖说，疫情封控曾让这项精细工作雪上加霜。有段时间他们被困在合作单位新疆农业科学院的宿舍里，无法正常下地，承受着实验的连续性与数据质量的巨大压力。

　　通过数年的田间表型鉴定与连锁分析，他们先将目标基因的区间缩小到2.6兆碱基对，再通过分析数千个重组单株，逐步将区间缩小至614千碱基对，最终锁定在仅包含一个基因及其上游序列的极小范围。“整个过程就像大海捞针。”朱朝晖说。

　　2022年夏天，在新疆的田间，他们对玉米材料表型数据进行最后的统计分析后，结果清晰地显示，找到的基因ZmSAUR72能显著缩短干旱下的ASI。那一刻，长期积累的压力化为欣慰。“觉得这4年的时间没有白干，而且这个方向是对的。”朱朝晖感慨道。

　　为玉米装上抗旱“稳定器”

　　2024年论文投给《自然》后，审稿人表示，这些发现对玉米研究人员、育种专家及相关产业具有巨大的潜在价值，可为培育抗旱玉米品种提供重要依据。不过，审稿人要求他们补充多年多点的产量数据。

　　团队又花费一年半时间，在新疆、甘肃、海南等多地重复实验，获得了高度一致的增产数据。同时，他们还补充了另一个互作基因ZmPP2C-D1的基因编辑验证工作，使研究机制更完整、应用路径更清晰。

　　今年4月20日，这项历时十多年的研究成果终于被《自然》正式接收。

　　该研究为分子设计育种提供了“一正一负”双路径。一方面，可以利用ZmSAUR72的优异等位基因(启动子区缺失型)，通过分子标记辅助选择或基因编辑将其导入育种材料。团队对1011份玉米材料的分析发现，约有20%的种质仍携带非优异的插入型等位基因，这些是重点改良对象。另一方面，可以直接编辑其负调控因子ZmPP2C-D1基因，敲除后同样能增强抗旱性，这为育种提供了另一个高效靶点。

　　回顾这场持续十余年的攻关，秦峰强调：“做科研，尤其是做这种有挑战性的工作，就像在黑暗中摸索。很多时候你并不知道路在哪里，但不能停下来，必须一直往前走，不断地试错、调整。最关键的是，整个团队要互相信任、互相支持。”从田间表型调查到分子机制解析，从实验设计到论文撰写，这项成果是团队每个人各展所长、紧密协作的结晶。

　　展望未来，团队的目标清晰而坚定——推动成果走向应用。他们计划利用该基因的分子标记，对现有种质资源进行大规模筛查和辅助选择，同时利用基因编辑技术，直接创制更优的等位基因或敲除负调控基因。