图lac1赋予玉米“智慧株型”并促进密植增产

　　在国家自然科学基金项目（批准号：32025027、32330077、91935305）等资助下，中国农业大学田丰教授团队与李继刚教授团队合作在玉米“智慧株型”研究方面取得新进展，首次在玉米中鉴定到“智慧株型”基因lac1，揭示了光信号动态调控lac1促使玉米适应密植的分子机制，建立了“一步成系”的单倍体诱导编辑技术体系。研究成果以“智慧株型促进玉米密植增产（Maize smart-canopy architecture enhances yield at high densities）”为题，于2024年6月12日在《自然》（Nature）期刊上以“文章加速预览”模式线上发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07669-6。

　　目前，我国玉米单产只有美国玉米单产的60%，与此同时，平均种植密度仅达到美国的67%。因此，增加种植密度是现阶段提高我国玉米单产水平的关键举措之一。然而，密植会引起群体内郁闭，导致群体上部冠层叶片“光饱和”，中下部冠层叶片“光饥饿”，因此上部叶片紧凑、中下部叶片相对舒展的“智慧株型”结构可以最大限度的捕获光能，提高群体的光合作用效率。但目前尚未鉴定到控制玉米智慧冠层的基因。该团队利用田间发现的一个上部叶夹角紧凑、中下部叶夹角相对舒展的自然突变体材料，发现了智慧株型基因lac1。连续4年4个地点的小区产量试验表明，lac1能够有效平衡群体内植株间的竞争，通过改善群体内光分布提高密植群体的净光合作用速率，最终实现玉米密植增产。

　　该团队结合大量的分子生物学实验发现，前期鉴定到的调控玉米叶夹角的关键转录因子RAVL1直接激活lac1的表达，而随着种植密度的增加，群体内的红光:远红光的比例（R/FR）降低，光受体蛋白phyA与RAVL1互作促进RAVL1的降解，削弱了RAVL1对lac1的激活作用，最终表现出高密度条件下玉米叶夹角减小的遮荫响应。在lac1突变体中，phyA-RAVL1介导的光信号通路被阻断，从而削弱lac1突变体对遮荫的响应，表现出适应密植的优势。研究人员进一步通过突破单倍体诱导系遗传转化，建立了基因编辑技术与单倍体诱导耦合的“一步成系”技术体系，从而在20个自交系中实现了对lac1的纯合诱导编辑。

　　综上，“上紧下松”的lac1智慧株型优化了冠层内的光分布、增强了密植群体的光合效率；同时，lac1对遮荫响应的削弱增强了玉米群体的耐荫性，实现了形态改良和生理适应协调统一，促进了玉米群体密植增产。该研究建立的玉米“一步成系”单倍体诱导编辑技术体系为商业品种快速定向修饰、多性状协同改良、野生种从头驯化等提供了强大工具。