玉米作為全球重要的糧食作物，其莖稈倒伏問題嚴重制約產(chǎn)量提升。然而，由于缺乏有效的微觀結(jié)構觀測手段，維管束系統(tǒng)如何支撐莖稈強度的力學機制及其分子調(diào)控網(wǎng)絡長期未被解析。

近日，北京市農(nóng)林科學院趙春江院士團隊與北京大學劉啟昆研究員團隊合作，在Journal of Integrative Plant Biology在線發(fā)表了題為“Stem microanatomical phenomics uncovers a potential role for ZmLSM2 in regulating maize stem bending strength”的研究論文。

該研究結(jié)合高通量顯微CT表型組學與多組學分析，首次揭示了玉米莖稈微觀解剖結(jié)構對抗彎強度的決定性作用，并鎖定了關鍵調(diào)控基因——ZmLSM2。該研究為作物抗倒伏性狀的遺傳解析與分子育種提供了重要靶點，并建立了從微觀解剖結(jié)構到宏觀力學性能的創(chuàng)新研究范式。

圖1：整合表型組、生物力學、GWAS和基因功能驗證的玉米莖稈力學遺傳調(diào)控機制研究流程圖

高通量CT成像實現(xiàn)精準力學量化：針對傳統(tǒng)抗倒伏評價難以觸及微觀結(jié)構的核心難題，團隊建立了標準化的微觀CT表型分析體系。通過對383份玉米自交系的超50萬張CT圖像進行分析，研究創(chuàng)新引入“維管束面積矩”等工程力學參數(shù)，首次實現(xiàn)了維管束空間分布對莖稈強度貢獻的精準量化。團隊據(jù)此篩選出五項關鍵微觀性狀，構建的預測模型將莖稈抗彎強度預測準確率較傳統(tǒng)方法提升了15%。

鎖定核心調(diào)控因子ZmLSM2：基于精準表型數(shù)據(jù)，團隊利用全基因組關聯(lián)分析（GWAS）鎖定控制莖稈強度的核心基因ZmLSM2。實驗表明，敲除或突變該基因會導致玉米莖稈變細、維管束面積縮減，單株抗彎強度顯著降低。這一結(jié)果證實了ZmLSM2在調(diào)控莖稈機械強度中的關鍵作用，為抗倒伏分子育種提供了明確靶點。

不止于基因，表觀遺傳的“暗箱操作”：研究還揭示了關鍵的表觀遺傳調(diào)控機制：堅稈與弱稈材料雖在ZmLSM2編碼序列上一致，但表達量差異巨大。研究發(fā)現(xiàn)，基因內(nèi)含子區(qū)域的DNA甲基化模式差異可能是主導因素——不同程度的DNA甲基化修飾與基因表達水平密切關聯(lián)，從而導致了莖稈強度的差異。這一發(fā)現(xiàn)為理解作物復雜性狀的“缺失遺傳力”提供了全新視角。

北京市農(nóng)林科學院信息技術研究中心趙春江院士、郭新宇研究員和北京大學現(xiàn)代農(nóng)學院劉啟昆研究員為該論文的共同通訊作者，北京市農(nóng)林科學院信息技術研究中心張穎副研究員、杜建軍研究員和北京大學博士研究生王澤家、博士后李伽文為文章的共同第一作者。本研究得到國家自然科學基金重點基金（32330075）、北京市農(nóng)林科學院作物表型組學協(xié)同創(chuàng)新中心（KJCX201917）、北京市自然基金杰出青年基金（JQ24037）、國家重點研發(fā)計劃（2024YFF1000303）等項目資助。