玉米作為全球重要的糧食作物，在保障糧食安全方面具有重要戰(zhàn)略意義。高密度種植條件下，倒伏已成為制約玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的主要問題。
研究背景與意義
增強莖稈強度是提高玉米抗倒伏性的有效手段。然而，莖稈強度的遺傳結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，目前玉米中克隆到能夠影響莖稈強度的基因較少，應(yīng)用到玉米育種中的更為有限。木質(zhì)素含量與莖稈強度呈顯著正相關(guān)，過氧化物酶作為木質(zhì)素合成途徑中的關(guān)鍵酶，其在玉米中的功能研究仍不夠系統(tǒng)，尤其是該酶在莖稈抗倒伏性中的作用機制尚不清楚。
研究成果發(fā)表
近日，Journal of Genetics and Genomics在線發(fā)表北京市農(nóng)林科學(xué)院趙久然研究員團隊題為“ZmPRX38 is required for improving stalk strength and yield in maize”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)過氧化物酶基因ZmPRX38催化苯丙烷途徑中木質(zhì)素單體的形成，促進木質(zhì)素總量提高，進而提高玉米的抗倒伏性和產(chǎn)量。
同時，該研究發(fā)現(xiàn)ZmPRX38的不利單倍型在我國玉米骨干種質(zhì)“黃改群”中普遍存在，提出可通過靶向編輯該單倍型提高“黃改群”種質(zhì)抗倒伏性的策略。
研究內(nèi)容與方法
基因鑒定與功能分析
研究團隊對玉米CUBIC群體的莖稈強度性狀進行調(diào)查，利用關(guān)聯(lián)分析鑒定發(fā)現(xiàn)，過氧化物酶基因ZmPRX38為莖稈強度熱點區(qū)域的候選基因。該基因在營養(yǎng)生長階段的節(jié)間高表達，并定位于細胞膜、胞質(zhì)和質(zhì)外體。
過量表達該基因顯著增加莖稈木質(zhì)素含量和細胞壁厚度，促使莖稈增粗、莖稈強度提高，同時過量表達植株的根系體積增大，果穗產(chǎn)量也顯著提高，表明該基因兼具增強玉米莖稈與根系抗倒伏性并提高產(chǎn)量的潛力。而敲除該基因則表現(xiàn)出相反表型。
分子機制研究
進一步研究發(fā)現(xiàn)，ZmPRX38參與苯丙烷途徑中木質(zhì)素單體的生物合成。此外，利用玉米自然變異群體鑒定出了ZmPRX38基因的5’非翻譯區(qū)(UTR)、外顯子和3’ UTR的三個變異位點，它們共同決定ZmPRX38的功能。
種質(zhì)資源分析
雖然91.46%的玉米自交系含有ZmPRX38有利單倍型，但我國玉米獨特的種質(zhì)資源“黃改群”幾乎都含有其不利單倍型，而“黃改群”種質(zhì)的莖稈強度普遍較弱，表明該單倍型可能是導(dǎo)致“黃改群”種質(zhì)莖稈抗倒伏性差的主要因素之一。
研究結(jié)論與應(yīng)用前景
因此該研究提出，通過定向改良ZmPRX38在“黃改群”中的不利單倍型將是一種提高“黃改群”種質(zhì)抗倒伏性和產(chǎn)量的有效策略。
ZmPRX38的克隆及其調(diào)控玉米抗倒伏性和產(chǎn)量
A ：不同過表達 (OE) 和野生型 (WT) 植株中ZmPRX38 的表達水平。B ：OE 和 WT 植株的表型。C ：OE 和 WT 植株基部莖稈的放大圖。D ：OE和 WT 植株的穗。E：OE 和 WT 植株在農(nóng)藝性狀、莖稈強度、細胞壁成分和產(chǎn)量性狀方面的差異。F ：OE 和 WT 植株莖稈橫切面的間苯三酚染色圖。G ： OE 和 WT 植株的根系圖像
作者與資助信息
北京市農(nóng)林科學(xué)院王夏青博士、王天依博士、張如養(yǎng)副研究員及湖南大學(xué)鄧敏副教授為該論文第一作者。北京市農(nóng)林科學(xué)院王榮煥研究員、宋偉研究員和趙久然研究員為共同通訊作者。相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金、北京市自然基金、北京市農(nóng)林科學(xué)院優(yōu)秀青年基金等項目資助。
原文：https://doi.org/10.1016/j.jgg.2025.10.009
