中国农业大学周顺利/申思团队揭示玉米果穗授粉时间差影响籽粒形成的机制

提高作物群体密度是作物持续增产的重要途径。然而，随着群体增密，个体植株的穗粒数会降低，该“个体-群体”的矛盾制约着最终收获指数和产量【1,2】。目前，针对群体冠层结构、光合性能等“源”生产能力调节报道较多，如何通过“库”器官调控以提升群体产量，相关认识仍薄弱【3】。

近日，中国农业大学农学院周顺利/申思团队在国际经典期刊Plant Physiology在线发表题为Mitigating Constraints in Harvest Index and Yield of Densified Populations via Sink Modulation of Narrowing Pollination Time Gaps within Maize Ear的研究论文。该研究系统揭示了玉米穗内授粉时间差（PTG）通过调控碳资源分配来影响籽粒形成的机制，证明PTG是限制高密度下玉米收获指数和产量形成的重要因素，提出通过增加穗内授粉同步性实现协同提升“源-库”性能并协调“个体-群体”矛盾的观点，为实现玉米增密增产提供新思路。

研究发现，增密显著延长了PTG，使果穗顶部花丝吐丝/授粉延迟，导致顶部籽粒败育。在高密度下通过同步授粉消除PTG可恢复20%的粒数损失，显著提升收获指数和群体产量（图1）。同时，同步授粉还提高了不同品种的“最适密度”（群体产量最高时对应的密度水平），说明PTG是实现进一步增密增产的重要调控靶标性状。

图1 消除果穗授粉时间差（PTG）缓解增密下穗粒数和产量损失

进一步结合13C稳定同位素示踪及光合生理分析研究发现，消除PTG提升了果穗“库”强度，显著促进了日光合同化物向果穗和籽粒分配，并在灌浆阶段进一步提高叶片光合能力，实现协同增强“源-库”性能（图2）。

通过原位移除部分果穗基部籽粒，显著提升了果穗顶部籽粒的日光合同化物分配量，并阻止其发生败育，说明果穗籽粒之间对碳同化物的竞争是诱导顶部籽粒发育命运的关键因素（图2）。

图2 消除果穗PTG通过促进日光合同化物分配至籽粒“库”，同时提升“源”生产能力

为明确PTG性状是否在育种过程中被筛选，调查发现现代玉米品种果穗逐渐由“细长型”向“短粗型”转变。这种果穗形态变化有利于果穗集中吐丝和授粉，即PTG很可能在品种更迭过程中逐渐缩短，这说明PTG有望作为耐密高产玉米品种改良的靶标性状（图3）。

图3 育种驱动的果穗形态变化更有利于果穗集中吐丝

研究提出，将PTG作为新的育种和栽培调控性状，可协同提升作物“源-库”和“个体-群体”关系，为提高玉米等谷类作物的增密增产提供了新的思路。

图4 缩小PTG协调“源-库”与“个体-群体”关系，协同提升密植下的收获指数和产量

中国农业大学农学院博士研究生王志伟为论文第一作者，中国农业大学申思副教授、周顺利教授为论文共同通讯作者。中国农业大学王欣博士、江西农业大学梁效贵副教授、云南大学陈先敏博士和巴塞罗那大学Shawn C. Kefauver教授对该工作提供了指导和帮助。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家玉米产业技术体系，以及中国农业大学“2115”人才培育发展计划等项目的支持。

引用文献：

【1】Wang ZW, Huang C, Chen ZY, Hong B, Zhou SL, Shen S. 2026. Flowering Dynamics of Plant Individual and Population under Increased Planting Density and Its Association with Yield Formation in Maize. Field Crops Research, 342(15): 110473.

【2】Shen S, Ma S, Wu L, Zhou S-L, Ruan Y-L. 2023.Winners Take All: Competition for Carbon Resource Determines Grain Fate. Trends in Plant Science, 28(8): 893-901.

【3】Shen S, Ma S, Tian Y-Q, Zhou S-L, Ruan Y-L. 2025. Synchronizing Sucrose Effluxers with Influxers in Phloem Loading for Yield Output and Adaptation to Environment, National Science Review, 12(10): nwaf359.

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiag442