2025年11月7日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然-遺傳學(xué)》（Nature Genetics）在線發(fā)表了來自廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、崖州灣國家實(shí)驗(yàn)室等多家研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合完成的題為“Genetic basis of flavor complexity in sweet corn”（甜玉米風(fēng)味復(fù)雜性的遺傳基礎(chǔ)）的研究文章，系統(tǒng)揭示了甜玉米風(fēng)味形成的遺傳基礎(chǔ)。這項研究不僅打破了“甜即好吃”的傳統(tǒng)育種觀念，更提出了“風(fēng)味設(shè)計”育種新方向，為培育既高產(chǎn)又美味的甜玉米品種、實(shí)現(xiàn)甜玉米產(chǎn)業(yè)高品質(zhì)高效益升級提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)路徑。
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米團(tuán)隊畢業(yè)博士研究生李坤（現(xiàn)廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所副研究員）、廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所于永濤研究員、農(nóng)業(yè)生物基因研究中心晏石娟研究員、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)李文強(qiáng)副教授為該研究的共同第一作者。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及湖北洪山實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)建兵教授、廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所胡建廣研究員、崖州灣國家實(shí)驗(yàn)室劉海軍研究員為論文的共同通訊作者。廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所李高科研究員、未米生物科技有限公司許潔婷博士、德國馬克斯-普朗克分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授等對研究工作提供了重要支持。
從“甜”到“味”的產(chǎn)業(yè)需求轉(zhuǎn)變
甜玉米作為全球廣泛種植的重要經(jīng)濟(jì)作物，不僅是一種營養(yǎng)豐富的食物來源，也是食品工業(yè)的重要原料。隨著消費(fèi)者對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)需求的提升，甜玉米的風(fēng)味已不再局限于“甜”這一簡單維度，而是包括甜度、口感、香氣、質(zhì)地等多個感官體驗(yàn)的綜合體現(xiàn)。傳統(tǒng)育種方法主要依賴表型選擇和經(jīng)驗(yàn)判斷，尚未系統(tǒng)解析和利用風(fēng)味的遺傳基礎(chǔ)，這無疑限制了優(yōu)質(zhì)品種的選育效率。因此，構(gòu)建基于遺傳信息的風(fēng)味資源和知識體系，成為甜玉米遺傳改良乃至食品科學(xué)交叉領(lǐng)域的重要研究方向。
多組學(xué)揭示甜玉米演化歷史及其獨(dú)特風(fēng)味的遺傳密碼
研究團(tuán)隊通過對295份甜玉米種質(zhì)資源利用多組學(xué)分析，系統(tǒng)解析了甜玉米風(fēng)味的遺傳基礎(chǔ)。研究表明，超甜玉米起源于基因Sh2的轉(zhuǎn)座子引發(fā)的倒位，而普甜玉米源于基因Su1的自發(fā)點(diǎn)突變。除了這兩個顯著位點(diǎn)，甜玉米與普通大田玉米之間在全基因組水平還存在顯著的遺傳分化。甜玉米在進(jìn)化過程中經(jīng)歷了強(qiáng)烈的正向選擇，特別是在碳水化合物代謝、光響應(yīng)和激素信號通路相關(guān)基因上。這為理解甜玉米獨(dú)特風(fēng)味的遺傳基礎(chǔ)提供了關(guān)鍵線索。
圖1. 甜玉米與普通大田玉米群體之間的遺傳差異。
發(fā)現(xiàn)甜玉米風(fēng)味形成的關(guān)鍵新基因
進(jìn)一步分析表明，甜玉米風(fēng)味是一個由甜度、果皮厚度、脆度和香氣等多個維度共同構(gòu)成的復(fù)雜性狀。令人驚訝的是，提高風(fēng)味評分未必需要增加糖分——降低果皮厚度、改善口感，同樣能顯著提升風(fēng)味體驗(yàn)。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)觀念，為后續(xù)品質(zhì)改良提供了新視角和方向。在上述多組學(xué)大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊鑒定出三個全新的風(fēng)味調(diào)控基因：ZmAPS1調(diào)控腺苷代謝，影響風(fēng)味物質(zhì)的前體合成；ZmSK1影響奎寧酸合成，與甜玉米香氣密切相關(guān)；ZmCRR5調(diào)節(jié)果糖積累，在甜度與產(chǎn)量之間起到關(guān)鍵平衡作用。進(jìn)一步研究證實(shí)，這些基因在不同代謝通路中發(fā)揮著調(diào)控作用：它們?nèi)缤L(fēng)味形成過程三位精準(zhǔn)的“指揮家”，共同調(diào)控著甜玉米的食用品質(zhì)。
圖2. 基因ZmCRR5可用于平衡果糖含量和產(chǎn)量
提出“風(fēng)味精準(zhǔn)設(shè)計”育種新思路
該研究創(chuàng)新性地整合了基因組（DNA信息）、轉(zhuǎn)錄組（基因表達(dá)信息）和代謝組（小分子化合物信息）數(shù)據(jù)，構(gòu)建了甜玉米風(fēng)味的精準(zhǔn)預(yù)測模型。分析顯示，基于全基因組單核苷酸多態(tài)性（SNP）數(shù)據(jù)，可解釋42.0%至73.7%的風(fēng)味評分差異。研究人員進(jìn)一步鑒定出4711個與風(fēng)味顯著相關(guān)的基因以及139種關(guān)鍵風(fēng)味代謝物。其中，蔗糖、降冰片醇、庚酸等物質(zhì)與風(fēng)味呈正相關(guān)；而麥芽糖、木糖、尿囊素等則與風(fēng)味呈負(fù)相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)為風(fēng)味改良提供了寶貴的基因資源和代謝物標(biāo)記，有助于玉米育種由經(jīng)驗(yàn)性選擇向精準(zhǔn)設(shè)計轉(zhuǎn)變。
該研究的另一個核心突破在于揭示了風(fēng)味與產(chǎn)量之間的內(nèi)在權(quán)衡機(jī)制，并提出了“風(fēng)味設(shè)計”育種新思路。通過多組學(xué)分析，團(tuán)隊鑒定到一批能同時調(diào)控產(chǎn)量和風(fēng)味形成的關(guān)鍵基因與代謝物。例如，在自然群體中，基因ZmCRR5存在多種變異類型（等位基因型），其中一種相對低頻（約13%）的等位型具有既高產(chǎn)又風(fēng)味佳的特性。這類有利等位基因的挖掘?yàn)榕嘤缕贩N提供了直接靶點(diǎn)。
圖3. 甜玉米風(fēng)味的多組學(xué)調(diào)控基礎(chǔ)及精準(zhǔn)預(yù)測。
這項研究為作物育種從“產(chǎn)量導(dǎo)向”向“品質(zhì)與產(chǎn)量并重”轉(zhuǎn)型提供了一個重要范例。其首次系統(tǒng)揭示了甜玉米風(fēng)味與產(chǎn)量間的遺傳互作機(jī)制，特別是找到了能提升風(fēng)味同時維持甚至提高產(chǎn)量的候選基因，為實(shí)現(xiàn)“風(fēng)味與產(chǎn)量協(xié)同提升”目標(biāo)提供了科學(xué)依據(jù)。此外，構(gòu)建的風(fēng)味預(yù)測模型可基于基因組信息預(yù)測風(fēng)味表現(xiàn)，為分子育種（如基因編輯和分子標(biāo)記輔助選擇）奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，有望顯著提升育種效率和精準(zhǔn)度。
未來，研究團(tuán)隊計劃將基因編輯與分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)相結(jié)合，加速選育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)甜玉米新品種。該研究不僅為甜玉米產(chǎn)業(yè)升級提供了科技支撐，其多組學(xué)整合的研究框架和技術(shù)路徑，也為其他果蔬作物的風(fēng)味改良提供了重要借鑒。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金委聯(lián)合基金及創(chuàng)新研究群體、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家玉米產(chǎn)業(yè)體系、廣東省重點(diǎn)研發(fā)計劃、廣東省鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略專項等項目的支持。
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https://www.nature.com/articles/s41588-025-02401-0
