“根深才能叶茂。”这句农谚道出了植物生长的根本法则：真正的繁茂，始于深藏地下的根基。

对作物而言，“叶茂”是产量，是丰收；而“根深”，则是支撑稳产高产的关键。然而，长期以来育种多关注株型、穗型等“看得见”的地上性状，忽视了埋于土中的根系，导致不少品种“地上开花、地下失修”，抗逆能力薄弱。

玉米根系耐逆分子机制研究挖掘多个耐逆关键基因。扬州大学供图

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近日，扬州大学农学院教授徐辰武团队联合中国农业大学教授袁力行团队，在国际期刊《植物细胞》（The Plant Cell）发表论文。他们从“看不见”的根系出发，首次揭示了玉米的一个关键调控模块ZmZIM2–ZmGAD如何通过调控γ-氨基丁酸代谢通路，从而显著增强玉米根系发育与抗旱耐盐能力，不仅揭开了玉米根深“种”强的分子密码，也为破解中低产田增产难题提供全新路径。

唤醒“沉默的防线”

在我国19亿亩耕地中，约七成属于中低产田。这些土地常年面临水分短缺、盐分累积、养分流失等多重胁迫，产量仅为高产田的一半左右，成为制约粮食产能提升的最大瓶颈。

作为我国第一大粮食作物，玉米年种植面积超过6亿亩，其中近65%集中在干旱半干旱地区。面对日益严峻的气候挑战，仅靠改善灌溉或施肥已难以为继，必须从作物自身挖掘抗逆潜力。

“人们总盯着穗子大不大、秆子壮不壮，却忘了真正决定生死的，是埋在土里的根。”论文共同通讯作者徐辰武说，“根系是玉米等作物应对非生物胁迫的第一道防线，也是最关键的‘前线指挥所’。”

事实上，发达的根系不仅能深入土壤汲取深层水分，还能通过代谢调节维持细胞稳态，在干旱来临时提前关闭气孔、减少蒸腾损失；在盐碱地中主动排出钠离子、保护组织功能。但长期以来，由于难以观察、测量复杂，根系研究一直被忽视，成了作物科学中最“沉默”的领域之一。

正是在这样的情况下，徐辰武团队坚持“向土而研”，自主研发高通量水培平台与图像分析系统，对357份玉米自交系进行根系表型精准鉴定，绘制出覆盖全样本的“根系图谱”。在此基础上，利用多组学联合分析，成功定位多个控制根系形态的关键位点，为后续功能验证打下坚实基础。

“根系看不见，但它的变异比很多地上性状更丰富。”徐辰武说，“只有把‘隐性优势’变成可测量、可预测的指标，才能真正实现抗逆育种的突破。”

“多组学”联袂挖掘“隐性优势”

如何更好地挖掘出“隐性优势”？徐辰武认为，必须跳出单一维度的研究模式，采用“多组学”联合策略，将变异组、转录组、代谢组以及表型组等多个维度数据整合分析，打通从基因到表型的完整通路。

“如果把基因组比作‘设计图纸’，转录组就是‘施工指令’，代谢组是‘建筑材料’，表型则是最终建成的‘房子’。”论文通讯作者、扬州大学教授李鹏程形象地解释，“只有多维联动，才能真正看清植物抗逆的地下逻辑。”

在“多组学”数据支持下，团队成功构建了国内首个玉米根系“变异组—转录组—代谢组”的调控网络，并逐渐揭开了玉米根系形态和代谢物应对逆境的双重机制。

徐辰武团队在玉米科研实验田。扬州大学供图

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他们发现，一个名为“ZmbZIP89-ZmPRX47 ”的信号通路，可在逆境中精准调控侧根区域的活性氧（由干旱引发的有害物质）稳态，从而显著促进侧根伸长，扩大根系吸收面积，提升水分利用率，极大提升了抗旱能力。相关研究已于今年4月发表在国际期刊《科学前沿》（Science Advances）。

而比根系形态改变更隐蔽的，是其内部悄然构筑的“代谢防线”。团队进一步揭示，玉米还可以通过精准调控ZmZIM2–ZmGAD 模块来激活γ-氨基丁酸的代谢，γ-氨基丁酸是一种在盐碱与干旱胁迫下帮助植株维持正常生理功能的一种代谢物，从而促进根系生长并增强玉米的抗逆性。

“我们推测，这两个模块在玉米抗逆调控中可能具有协同作用，从形态与代谢双路径提升了玉米的环境适应力。”李鹏程表示。

这一系列突破的背后，是一场持续数年的“浪里淘金”科研长跑。团队需要从上百份代表性玉米材料作为研究样本，通过大规模代谢物检测、根系形态数据关联分析，利用功能富集分析、基因表达等多维手段，逐步追溯其遗传调控源头，最终精准锁定关键基因与核心代谢通路。

“这更像是一场马拉松，需要有很好的方向感和足够的耐力。”李鹏程表示，“每一步都要扎实，每一个环节都不能脱链。从表型到代谢，从数据到基因，我们是在用时间换真相。”

从“经验育种”迈向“精准智造”

“传统杂交育种依赖经验和直觉，普遍存在耗时长、效率低、杂交表现难以预测等问题。”徐辰武介绍，“以玉米为例，一个新品种通常需要8到10年才能完成选育推广。”

如今，在生物技术与信息技术融合的推动下，我国作物育种正加速从“经验驱动”向“数据驱动”跃迁。徐辰武团队聚焦玉米根系这一关键性状，走出了一条特色鲜明的“智育”之路。

“借助构建的玉米根系‘变异组-转录组-代谢组’的三元调控网络，我们已成功锁定ZmbZIP89和ZmGAD等多个调控根系发育和抗逆能力的关键基因”，徐辰武说，“我们发现这些关键基因都存在自然等位变异，这为我们提供了一个极具应用价值的育种靶点，未来可通过基因编辑或分子标记辅助选择，定向培育更强抗逆性的新品种。”

“过去靠天吃饭，现在我们要凭数据说话。”团队成员、扬州大学教授徐扬解释说，“新材料进入试验田后，我们会用无人机巡田、传感器监测，实时采集株高、叶面积、冠层温度等上百项动态数据，再输入人工智能模型进行表型预测。目前对产量和抗逆性的预判准确率已接近80%。”

这一模式已初见成效。在江苏沿江地区农业科学研究所的合作试验中，通过该体系鉴定与筛选出的“苏玉161”和“通玉1701”两个品种在产量、抗逆性和适应性等方面表现突出，并大幅缩短了育种周期。

“从‘先看见再选择’到‘先预测再验证’，育种正成为一门可计算的科学。”合作单位、江苏沿江地区农业科学研究所副所长郝德荣评价道。

秋阳洒在收获后的试验田上，秸秆成行、果穗金黄。“我们不是要取代传统育种，而是为它装上‘导航仪’和‘加速器’。”徐辰武表示，接下来，团队将继续推动生物技术与信息技术融合，培育更强抗逆性的玉米新品种，让中国种业的底气，像根系一样深深扎进土壤。

相关论文信息：https://doi.org/10.1093/plcell/koaf221

https://doi.org/10.1126/sciadv.adt1113