近日，北京大学现代农业研究院教授焦雨铃团队等建立了一个具有普适性的花序发育数学模型，用以解释小麦、玉米、水稻及大麦等作物的穗部发育过程。相关成果发表在在《自然-植物》。

花序结构决定了植物的花和种子数目，在作物中则直接影响穗粒数，是影响产量的核心要素。禾本科包含小麦、玉米、水稻等主要粮食作物，也是最大的植物科之一。该科植物的花序结构变异异常复杂，传统的模型难以解释其形态多样性。

研究团队将计算建模与发育生物学深度融合，基于对小麦和水稻早期花序发育的精细比较分析，构建了一个基于林登迈耶系统的“形态动力学”模型。该模型引入了两个关键发育调控因子：一个控制分生组织命运的“命运（F）”变量，另一个则控制侧生分生组织起始时机与能力的“形态发生潜能”窗口及其持续时间。该模型不仅定义了花序将“长出什么”，还整合了“何时能长”以及“能长几个”的动态参数。

团队将模型应用于小麦穗型变异分析后，成功解释了三种主要的小麦穗型变异。特别值得注意的是，模型预测具有增产潜力的“复小穗”变异可通过两条独立路径形成：一是延长发育窗口，但会导致抽穗延迟，二是加速发育进程，可实现早抽穗且不推迟成熟。后者因其能在不影响农时的前提下实现增产，非常适应我国主要麦区小麦-玉米/大豆轮作的耕作制度。

依据这一关键预测，研究团队成功从一个小麦突变体库中鉴定出符合第二条路径的早熟复小穗突变体duo2。该基因突变展现出可观的应用潜力。在连续多年的多点田间试验中，duo2 突变体在不同种植密度下均表现出显著的增产效果。在我国主要麦区常用的高密度种植条件下，duo2 突变体在田间试验中实现产量提升7-9%；在国外常用的较低密度种植条件下，增产幅度可达10-11%。增产主要来源于小穗数和籽粒数的增加，而千粒重基本保持稳定。

该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、山东省自然科学基金及基因功能研究与操控全国重点实验室的资助。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-026-02246-3