學(xué)者網(wǎng)訊（編輯/劉秀 通訊員/天祥）11月7日，一項(xiàng)由廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合主導(dǎo)的重要研究成果在國際權(quán)威期刊《自然-遺傳學(xué)》（Nature Genetics）在線發(fā)表，題為“Genetic basis of flavor complexity in sweet corn”。該研究首次系統(tǒng)揭示了甜玉米風(fēng)味形成的遺傳基礎(chǔ)，為甜玉米產(chǎn)業(yè)向高品質(zhì)、高效益方向升級(jí)提供了堅(jiān)實(shí)的科技支撐。不僅打破了“甜即好吃”的傳統(tǒng)育種觀念，更提出了“風(fēng)味設(shè)計(jì)”育種新范式，為未來實(shí)現(xiàn)“既高產(chǎn)又美味”的甜玉米品種培育提供了科學(xué)路徑。

從“甜”到“味”的產(chǎn)業(yè)需求轉(zhuǎn)變

甜玉米作為全球廣泛種植的重要經(jīng)濟(jì)作物，不僅是一種營養(yǎng)豐富的食品資源，也是食品工業(yè)的重要原料。長期以來，育種工作者主要聚焦于提高甜玉米的甜度和產(chǎn)量，認(rèn)為甜即好吃，忽視了風(fēng)味的整體構(gòu)成。然而，隨著消費(fèi)者對(duì)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)需求的提升，甜玉米的風(fēng)味已不再局限于“甜”這一簡單維度，而是包括甜度、口感、香氣、質(zhì)地等多個(gè)感官體驗(yàn)的綜合體現(xiàn)。

此外，傳統(tǒng)育種方法主要依賴表型選擇和經(jīng)驗(yàn)判斷，未系統(tǒng)解析和利用風(fēng)味的遺傳基礎(chǔ)，這無疑限制了優(yōu)質(zhì)品種的選育效率。因此，構(gòu)建基于遺傳信息的風(fēng)味資源和知識(shí)體系，成為甜玉米遺傳改良乃至食品科學(xué)交叉領(lǐng)域的重要研究方向。

多組學(xué)揭示甜玉米演化歷史及其獨(dú)特風(fēng)味的遺傳密碼

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)295份甜玉米種質(zhì)資源進(jìn)行了重測(cè)序，并結(jié)合轉(zhuǎn)錄組、代謝組等多組學(xué)分析，系統(tǒng)解析了甜玉米風(fēng)味的遺傳基礎(chǔ)。研究表明，超甜玉米起源于基因sh2的轉(zhuǎn)座子引發(fā)的倒位，而普甜玉米源于基因su1的自發(fā)點(diǎn)突變。除了這兩個(gè)顯著位點(diǎn)，甜玉米與普通大田玉米之間在全基因組水平還存在顯著的遺傳分化。甜玉米在進(jìn)化過程中經(jīng)歷了強(qiáng)烈的正向選擇，特別是在碳水化合物代謝、光響應(yīng)和激素信號(hào)通路相關(guān)基因上。這為理解甜玉米獨(dú)特風(fēng)味的遺傳基礎(chǔ)提供了關(guān)鍵線索。

圖1.甜玉米與普通大田玉米群體之間的遺傳差異。

發(fā)現(xiàn)風(fēng)味形成的關(guān)鍵新基因

進(jìn)一步分析表明，甜玉米風(fēng)味是一個(gè)由甜度、果皮厚度、脆度和香氣等多個(gè)維度共同構(gòu)成的復(fù)雜性狀。令人驚訝的是，提高風(fēng)味評(píng)分未必需要增加糖分——降低果皮厚度、改善口感，同樣能顯著提升風(fēng)味體驗(yàn)。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)觀念，為后續(xù)品質(zhì)改良提供了新視角和方向。在上述多組學(xué)大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)鑒定出三個(gè)全新的風(fēng)味調(diào)控基因：ZmAPS1調(diào)控腺苷代謝，影響風(fēng)味物質(zhì)的前體合成； ZmSK1影響奎寧酸合成，與甜玉米香氣密切相關(guān)；以及ZmCRR5調(diào)節(jié)果糖積累，在甜度與產(chǎn)量之間起到關(guān)鍵平衡。。通過基因編輯技術(shù)，研究人員證實(shí)了這些基因在不同代謝通路中發(fā)揮的調(diào)控作用。它們?nèi)缤L(fēng)味形成過程三位精準(zhǔn)的“指揮家”，共同調(diào)控著甜玉米的食用品質(zhì)。

圖2.基因ZmCRR5可用于平衡果糖含量和產(chǎn)量

圖3.甜玉米風(fēng)味的多組學(xué)調(diào)控基礎(chǔ)及精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

從“經(jīng)驗(yàn)”到“設(shè)計(jì)”：育種技術(shù)邁入精準(zhǔn)時(shí)代

通過整合基因組、轉(zhuǎn)錄組和代謝組數(shù)據(jù)，研究人員構(gòu)建了甜玉米風(fēng)味的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)模型。結(jié)果顯示，全基因組SNP可解釋42.0-73.7%的風(fēng)味評(píng)分變異。研究還鑒定出4711個(gè)與風(fēng)味顯著相關(guān)的基因，以及139種關(guān)鍵代謝物，包括蔗糖、降冰片醇、庚酸等與風(fēng)味呈正相關(guān)，而麥芽糖、木糖、尿囊素等則呈負(fù)相關(guān)。這些成果為風(fēng)味精準(zhǔn)改良提供了豐富的遺傳資源和代謝標(biāo)記，有助于將育種由經(jīng)驗(yàn)性選擇轉(zhuǎn)向定向設(shè)計(jì)，以顯著提升育種效率與精準(zhǔn)度。

本研究的另一大亮點(diǎn)，在于解析了風(fēng)味與產(chǎn)量之間的內(nèi)在權(quán)衡機(jī)制，并提出了“風(fēng)味設(shè)計(jì)”育種新范式。“我們發(fā)現(xiàn)了能夠同時(shí)調(diào)控產(chǎn)量和風(fēng)味形成的關(guān)鍵基因和代謝物”，論文作者表示，“未來，我們可以通過分子育種，加快培育風(fēng)味和產(chǎn)量協(xié)同提升的甜玉米新品種”。例如，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)ZmCRR5在自然群體中存在多種等位基因型，其中一類低頻等位型（約13%）擁有產(chǎn)量高風(fēng)味佳的特點(diǎn)。這些有利等位基因的挖掘?yàn)橛N家提供了珍貴的基因資源。

未來可期：推動(dòng)農(nóng)業(yè)向優(yōu)質(zhì)高效邁進(jìn)

長期以來，農(nóng)業(yè)育種以提高產(chǎn)量為核心目標(biāo)，而隨著人民生活水平的提升，消費(fèi)者對(duì)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)注日益增強(qiáng)。風(fēng)味作為農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的重要組成部分，直接影響消費(fèi)者的接受度與市場價(jià)值。這項(xiàng)研究標(biāo)志著作物育種從“產(chǎn)量導(dǎo)向”向“品質(zhì)與產(chǎn)量并重”轉(zhuǎn)型。

本研究首次揭示了甜玉米風(fēng)味與產(chǎn)量之間的遺傳互作機(jī)制，特別是鑒定到候選基因能夠在提升風(fēng)味的同時(shí)維持甚至提高產(chǎn)量。這一發(fā)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)“風(fēng)味與產(chǎn)量協(xié)同提升”的育種目標(biāo)提供了切實(shí)可行的路徑。此外，研究構(gòu)建的風(fēng)味預(yù)測(cè)模型能夠基于基因組信息預(yù)測(cè)甜玉米的風(fēng)味評(píng)分，為分子育種和基因編輯技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，顯著提高了育種效率和精準(zhǔn)度。

研究人員表示，下一步將開展基因編輯育種與分子標(biāo)記輔助選擇聯(lián)合工作，加快高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)甜玉米新品種的選育進(jìn)程。事實(shí)上，本研究不僅為甜玉米產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供了科技支撐，也為其他果蔬作物的風(fēng)味改良提供了可借鑒的研究框架和技術(shù)路徑。

本研究由廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、崖州灣國家實(shí)驗(yàn)室等多家研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合完成。論文共同第一作者包括廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所李坤副研究員、于永濤研究員、農(nóng)業(yè)生物基因研究中心晏石娟研究員、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)李文強(qiáng)副教授。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及湖北洪山實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)建兵教授、廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所胡建廣研究員、崖州灣國家實(shí)驗(yàn)室劉海軍研究員為論文的共同通訊作者。廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所李高科研究員、未米生物科技有限公司許潔婷博士、德國馬克斯-普朗克分子植物生理研究所Alisdair R.Fernie教授等對(duì)研究工作提供了重要支持。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委-廣東聯(lián)合基金及創(chuàng)新研究群體、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃、廣東省鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略專項(xiàng)等項(xiàng)目支持。