JIPB∣北京市农林科学院信息技术研究中心赵春江院士团队联合北京大学刘启昆团队通过多组学联合分析揭示玉米茎秆力学强度的遗传调控新机制

　　

玉米作为全球重要的粮食作物，其茎秆倒伏问题严重制约产量提升。然而，由于缺乏有效的微观结构观测手段，维管束系统如何支撑茎秆强度的力学机制及其分子调控网络长期未被解析。

近日，北京市农林科学院赵春江院士团队与北京大学刘启昆研究员团队合作，在Journal of Integrative Plant Biology在线发表了题为“Stem microanatomical phenomics uncovers a potential role for ZmLSM2 in regulating maize stem bending strength”的研究论文。

该研究结合高通量显微CT表型组学与多组学分析，首次揭示了玉米茎秆微观解剖结构对抗弯强度的决定性作用，并锁定了关键调控基因——ZmLSM2。该研究为作物抗倒伏性状的遗传解析与分子育种提供了重要靶点，并建立了从微观解剖结构到宏观力学性能的创新研究范式。

图1：整合表型组、生物力学、GWAS和基因功能验证的玉米茎秆力学遗传调控机制研究流程图

高通量CT成像实现精准力学量化：针对传统抗倒伏评价难以触及微观结构的核心难题，团队建立了标准化的微观CT表型分析体系。通过对383份玉米自交系的超50万张CT图像进行分析，研究创新引入“维管束面积矩”等工程力学参数，首次实现了维管束空间分布对茎秆强度贡献的精准量化。团队据此筛选出五项关键微观性状，构建的预测模型将茎秆抗弯强度预测准确率较传统方法提升了15%。

锁定核心调控因子ZmLSM2：基于精准表型数据，团队利用全基因组关联分析（GWAS）锁定控制茎秆强度的核心基因ZmLSM2。实验表明，敲除或突变该基因会导致玉米茎秆变细、维管束面积缩减，单株抗弯强度显著降低。这一结果证实了ZmLSM2在调控茎秆机械强度中的关键作用，为抗倒伏分子育种提供了明确靶点。

不止于基因，表观遗传的“暗箱操作”：研究还揭示了关键的表观遗传调控机制：坚秆与弱秆材料虽在ZmLSM2编码序列上一致，但表达量差异巨大。研究发现，基因内含子区域的DNA甲基化模式差异可能是主导因素——不同程度的DNA甲基化修饰与基因表达水平密切关联，从而导致了茎秆强度的差异。这一发现为理解作物复杂性状的“缺失遗传力”提供了全新视角。

北京市农林科学院信息技术研究中心赵春江院士、郭新宇研究员和北京大学现代农学院刘启昆研究员为该论文的共同通讯作者，北京市农林科学院信息技术研究中心张颖副研究员、杜建军研究员和北京大学博士研究生王泽家、博士后李伽文为文章的共同第一作者。本研究得到国家自然科学基金重点基金（32330075）、北京市农林科学院作物表型组学协同创新中心（KJCX201917）、北京市自然基金杰出青年基金（JQ24037）、国家重点研发计划（2024YFF1000303）等项目资助。