严建兵教授团队在《Cell》发表论文，首次揭示玉米籽粒脱水分子机制，破解机收难题！入选十项引领性技术成果

发布时间：2025-12-06

华中农业大学严建兵教授团队研发的“高产高蛋白宜机收玉米基因编辑技术”入选湖北农业十项引领性技术成果。该技术挖掘和聚合玉米增产和脱水的关键基因，蛋白含量达到13％、完熟期籽粒含水量降低7％，为豆粕饲料蛋白替代和实现玉米机械化粒收提供重要支撑。

此前，严建兵教授团队在国际顶级期刊《Cell》发表了题为“A Zea genus-specific micropeptide controls kernel dehydration in maize”的突破性研究成果。这项研究不仅首次揭示了玉米籽粒脱水的分子机制，更为培育适合机械化收获的快脱水玉米品种提供了关键基因资源和理论支撑。

玉米作为我国种植面积最广、总产量最高的粮食作物，长期以来因缺乏快脱水品种，导致机械粒收水平偏低，严重制约了生产效率并推高了种植成本。尽管籽粒脱水速率是影响机收性能的关键农艺性状，但相关功能基因极少被克隆，其调控机制也长期不明，成为遗传改良的一大瓶颈。针对这一产业难题，研究团队经过多年攻关，建立了高效的田间籽粒脱水表型鉴定体系，并通过QTL定位锁定了四个与脱水相关的遗传位点。其中，主效位点qKDR1被精细定位至一段仅1417 bp的非编码DNA区域，该区域在双亲间存在一个约6.2 kb的转座子插入。令人意外的是，无论是否含有该转座子，敲除该区域均显著降低脱水速率，提示qKDR1可能作为一个抑制元件，调控其上游约10 kb处一个此前未被注释的新基因RPG。

深入研究表明，RPG并非传统意义上的蛋白编码基因，而是通过一段原本被认为“沉默”的序列，编码了一个仅含31个氨基酸的小肽，被命名为microRPG1。该小肽在授粉后26天开始表达，38天达峰值，恰逢灌浆结束、脱水启动的关键窗口期。功能验证显示，敲除microRPG1可显著加快籽粒脱水，而过表达则明显延缓该过程，且不影响产量，实现了脱水效率与产量的协同优化。机制上，microRPG1通过调控乙烯信号通路中的关键因子ZmEIL1和ZmEIL3的表达，精准干预脱水进程。

尤为引人注目的是，microRPG1在进化上高度特异：它仅存在于玉蜀黍属（Zea）中，在禾本科其他物种包括近缘的摩擦禾属（Tripsacum）中虽有相似序列，却因缺乏起始密码子而无法翻译成肽。研究团队发现，在玉蜀黍属中，一次关键的单核苷酸突变（ACG→ATG）创造了新的起始密码子，使一段非编码序列“从头”获得了编码功能，从而诞生了一个全新基因。系统发育分析推测，这一事件可能发生在约65万年前玉蜀黍属与摩擦禾属分化之后，为新基因起源提供了经典范例。

更富启发性的是，该小肽的功能似乎具有跨物种潜力。当研究者将人工合成的microRPG1外施于拟南芥，或在其体内超表达时，均能显著延迟角果成熟并提高种子含水量，且小肽可通过根系吸收并运输至地上部分。这暗示microRPG1可能在植物脱水调控中具有保守作用，为其在其他作物中的应用打开了想象空间。

实际应用前景同样令人振奋。我国玉米收获时籽粒含水量普遍高达30%–40%，远高于机收理想的15%–25%区间。多年多点试验表明，敲除microRPG1可使收获含水量平均降低7%（降幅达2%–17%），而其他农艺与产量性状保持稳定。对数百份代表性玉米种质的筛查进一步证实，RPG基因几乎普遍存在，意味着通过编辑该基因改良脱水性状具有广泛适用性。目前，研究团队已围绕该技术布局多项专利，并与未米生物公司合作推进商业化，进展顺利。这项工作不仅破解了玉米籽粒脱水的“黑箱”，也为作物精准设计育种开辟了新路径。

来源：Ad植物微生物