“根深才能葉茂。”這句農諺道出了植物生長的根本法則：真正的繁茂，始于深藏地下的根基。
對作物而言，“葉茂”是產量，是豐收；而“根深”，則是支撐穩產高產的關鍵。然而，長期以來育種多關注株型、穗型等“看得見”的地上性狀，忽視了埋于土中的根系，導致不少品種“地上開花、地下失修”，抗逆能力薄弱。
玉米根系耐逆分子機制研究挖掘多個耐逆關鍵基因。揚州大學供圖
近日，揚州大學農學院教授徐辰武團隊聯合中國農業大學教授袁力行團隊，在國際期刊《植物細胞》（The Plant Cell）發表論文。他們從“看不見”的根系出發，首次揭示了玉米的一個關鍵調控模塊ZmZIM2–ZmGAD如何通過調控γ-氨基丁酸代謝通路，從而顯著增強玉米根系發育與抗旱耐鹽能力，不僅揭開了玉米根深“種”強的分子密碼，也為破解中低產田增產難題提供全新路徑。
喚醒“沉默的防線”
在我國19億畝耕地中，約七成屬于中低產田。這些土地常年面臨水分短缺、鹽分累積、養分流失等多重脅迫，產量僅為高產田的一半左右，成為制約糧食產能提升的最大瓶頸。
作為我國第一大糧食作物，玉米年種植面積超過6億畝，其中近65%集中在干旱半干旱地區。面對日益嚴峻的氣候挑戰，僅靠改善灌溉或施肥已難以為繼，必須從作物自身挖掘抗逆潛力。
“人們總盯著穗子大不大、稈子壯不壯，卻忘了真正決定生死的，是埋在土里的根。”論文共同通訊作者徐辰武說，“根系是玉米等作物應對非生物脅迫的第一道防線，也是最關鍵的‘前線指揮所’。”
事實上，發達的根系不僅能深入土壤汲取深層水分，還能通過代謝調節維持細胞穩態，在干旱來臨時提前關閉氣孔、減少蒸騰損失；在鹽堿地中主動排出鈉離子、保護組織功能。但長期以來，由于難以觀察、測量復雜，根系研究一直被忽視，成了作物科學中最“沉默”的領域之一。
正是在這樣的情況下，徐辰武團隊堅持“向土而研”，自主研發高通量水培平臺與圖像分析系統，對357份玉米自交系進行根系表型精準鑒定，繪制出覆蓋全樣本的“根系圖譜”。在此基礎上，利用多組學聯合分析，成功定位多個控制根系形態的關鍵位點，為后續功能驗證打下堅實基礎。
“根系看不見，但它的變異比很多地上性狀更豐富。”徐辰武說，“只有把‘隱性優勢’變成可測量、可預測的指標，才能真正實現抗逆育種的突破。”
“多組學”聯袂挖掘“隱性優勢”
如何更好地挖掘出“隱性優勢”？徐辰武認為，必須跳出單一維度的研究模式，采用“多組學”聯合策略，將變異組、轉錄組、代謝組以及表型組等多個維度數據整合分析，打通從基因到表型的完整通路。
“如果把基因組比作‘設計圖紙’，轉錄組就是‘施工指令’，代謝組是‘建筑材料’，表型則是最終建成的‘房子’。”論文通訊作者、揚州大學教授李鵬程形象地解釋，“只有多維聯動，才能真正看清植物抗逆的地下邏輯。”
在“多組學”數據支持下，團隊成功構建了國內首個玉米根系“變異組—轉錄組—代謝組”的調控網絡，并逐漸揭開了玉米根系形態和代謝物應對逆境的雙重機制。
徐辰武團隊在玉米科研實驗田。揚州大學供圖
他們發現，一個名為“ZmbZIP89-ZmPRX47 ”的信號通路，可在逆境中精準調控側根區域的活性氧（由干旱引發的有害物質）穩態，從而顯著促進側根伸長，擴大根系吸收面積，提升水分利用率，極大提升了抗旱能力。相關研究已于今年4月發表在國際期刊《科學前沿》（Science Advances）。
而比根系形態改變更隱蔽的，是其內部悄然構筑的“代謝防線”。團隊進一步揭示，玉米還可以通過精準調控ZmZIM2–ZmGAD 模塊來激活γ-氨基丁酸的代謝，γ-氨基丁酸是一種在鹽堿與干旱脅迫下幫助植株維持正常生理功能的一種代謝物，從而促進根系生長并增強玉米的抗逆性。
“我們推測，這兩個模塊在玉米抗逆調控中可能具有協同作用，從形態與代謝雙路徑提升了玉米的環境適應力。”李鵬程表示。
這一系列突破的背后，是一場持續數年的“浪里淘金”科研長跑。團隊需要從上百份代表性玉米材料作為研究樣本，通過大規模代謝物檢測、根系形態數據關聯分析，利用功能富集分析、基因表達等多維手段，逐步追溯其遺傳調控源頭，最終精準鎖定關鍵基因與核心代謝通路。
“這更像是一場馬拉松，需要有很好的方向感和足夠的耐力。”李鵬程表示，“每一步都要扎實，每一個環節都不能脫鏈。從表型到代謝，從數據到基因，我們是在用時間換真相。”
從“經驗育種”邁向“精準智造”
“傳統雜交育種依賴經驗和直覺，普遍存在耗時長、效率低、雜交表現難以預測等問題。”徐辰武介紹，“以玉米為例，一個新品種通常需要8到10年才能完成選育推廣。”
如今，在生物技術與信息技術融合的推動下，我國作物育種正加速從“經驗驅動”向“數據驅動”躍遷。徐辰武團隊聚焦玉米根系這一關鍵性狀，走出了一條特色鮮明的“智育”之路。
“借助構建的玉米根系‘變異組-轉錄組-代謝組’的三元調控網絡，我們已成功鎖定ZmbZIP89和ZmGAD等多個調控根系發育和抗逆能力的關鍵基因”，徐辰武說，“我們發現這些關鍵基因都存在自然等位變異，這為我們提供了一個極具應用價值的育種靶點，未來可通過基因編輯或分子標記輔助選擇，定向培育更強抗逆性的新品種。”
“過去靠天吃飯，現在我們要憑數據說話。”團隊成員、揚州大學教授徐揚解釋說，“新材料進入試驗田后，我們會用無人機巡田、傳感器監測，實時采集株高、葉面積、冠層溫度等上百項動態數據，再輸入人工智能模型進行表型預測。目前對產量和抗逆性的預判準確率已接近80%。”
這一模式已初見成效。在江蘇沿江地區農業科學研究所的合作試驗中，通過該體系鑒定與篩選出的“蘇玉161”和“通玉1701”兩個品種在產量、抗逆性和適應性等方面表現突出，并大幅縮短了育種周期。
“從‘先看見再選擇’到‘先預測再驗證’，育種正成為一門可計算的科學。”合作單位、江蘇沿江地區農業科學研究所副所長郝德榮評價道。
秋陽灑在收獲后的試驗田上，秸稈成行、果穗金黃。“我們不是要取代傳統育種，而是為它裝上‘導航儀’和‘加速器’。”徐辰武表示，接下來，團隊將繼續推動生物技術與信息技術融合，培育更強抗逆性的玉米新品種，讓中國種業的底氣，像根系一樣深深扎進土壤。
相關論文信息：https://doi.org/10.1093/plcell/koaf221
https://doi.org/10.1126/sciadv.adt1113
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