每年7月至8月，新疆戈壁滩的地表温度时常突破60℃，这是一年中最炎热干旱的时节。此时，中国农业大学生物学院教授秦峰团队的师生们正蹲守在玉米试验田里，一株一株地记录雄穗散粉与雌穗吐丝的具体时间。

这个被称为“散粉—吐丝间隔（ASI）”的微小数值，是决定玉米在旱年是否减产甚至绝收的关键。

秦峰团队位于新疆的玉米试验田。受访者供图

数十年来，其背后的遗传奥秘悬而未决。历经十余年，秦峰团队最终完成了这场从现象到基因的完整“解码”，他们发现并克隆了调控玉米ASI性状的基因及其编码蛋白SAUR72。SAUR72基因在花丝中特异高表达，并受到干旱胁迫的抑制。这一发现为培育抗旱稳产玉米新品种提供了重要的理论和技术支撑。相关研究成果于5月20日发表在《自然》杂志上。

悬置数十年难题：开花期干旱为啥导致玉米严重减产

玉米，作为全球及中国重要的饲料、粮食与经济作物，其产量稳定性直接关乎国计民生。然而，我国玉米主产区（如黄淮海、东北）多属雨养农业，即主要依赖自然降水，人工灌溉条件有限且实施困难。

论文通讯作者秦峰告诉《中国科学报》：“玉米植株很大，种植面积也特别大，如果没有预先铺设灌溉设施，在干旱到来时临时去浇地，需要大量的水不说，还需要大量的人力和设备，挺难弄的。”因此，干旱胁迫，尤其是开花期（抽雄吐丝期）的干旱，对我国乃至世界玉米生产构成了严重威胁。

这种威胁源于玉米独特的生殖结构。玉米是雌雄同株异花植物，雄穗位于植株顶端，雌穗（玉米棒）长在植株中部叶腋处。正常授粉需要雄穗散出的花粉精准落在雌穗吐出的花丝上。

然而，干旱会严重破坏这一精密的同步性。“干旱发生以后，雌雄花序的发育就不协调了。”秦峰解释道，“一般情况下是雄穗能够相对正常地散粉，而雌花序的吐丝时间会大幅延迟。”这导致一个严重后果：当花粉已随风散尽，花丝才迟迟吐出，两者时间窗口错开，授粉无法完成。

“玉米花粉的活力一般是24小时，在田间就一天。”秦峰说，“如果散粉和吐丝间隔超过了5天以后，产量可能会下降50%以上。”这个间隔天数，即ASI，成为衡量玉米开花期抗旱性的重要指标。

植株顶部雄穗花粉已散尽，中部雌穗花丝还没有长出苞叶，导致无法授粉结实。受访者供图

如何破解ASI的遗传密码，培育抗旱稳产品种？这不仅是育种家的梦想，更是科学界自上世纪80年代以来持续攻关的经典难题。国内外多个团队通过数量性状位点（QTL）定位等方法进行探索，但相关工作大都止步于遗传位点的初步鉴定，其基因克隆和分子机制一直悬而未决。“四十多年来，一直没人能克隆主效基因。”秦峰说。

难题之所以难，在于三大“拦路虎”。首先，ASI的表型鉴定极度依赖真实且可控的田间干旱环境。秦峰指出，玉米比较高大，要让它正常的生长发育，在温室里就不太容易实现，必须在大田里。

其次，需要精准控制干旱发生的时间和程度。在开花期“卡点”制造恰到好处的干旱胁迫，既不能太轻——性状不明显，也不能太重——会导致植株死亡，这对田间实验设计是巨大挑战。“田间条件最好是全年降雨量都很少，这样利于控制灌溉的时间。这个实验一定程度上要看天做。”秦峰说。

最后，玉米基因组庞大复杂，ASI又是受多基因控制的数量性状，从浩如烟海的基因中定位出关键主效基因，无异于“大海捞针”。

面对这项重大而艰巨的挑战，长期专注于玉米抗旱研究的秦峰团队，决定迎难而上。“我们对这个现象和问题很感兴趣，就是想把它搞清楚。”秦峰说。

在“火洲”新疆田间地头“大海捞针”

从群体构建到基因克隆，是一个漫长而艰巨的排除过程。2012年，团队正式着手攻克这个难题。长达6年的时间，他们在各地搜集来的玉米材料中“海选”。终于发现了两份ASI差异显著的材料：一个在干旱条件下雄穗散粉和雌穗吐丝几乎不受影响，仍然能正常完成授粉并保持稳定产量；另一个则在干旱条件下散粉和吐丝时间间隔过大，导致几乎不能授粉甚至绝收。

他们将这两个材料作为亲本，建立了杂交后代遗传群体，并从2018年起在“火洲”新疆开始了4年的田间实验——每年对群体中数千个单株进行精确的基因型鉴定和严格的田间表型调查。

论文共同第一作者、中国农业大学教授杨志蕊解释说，选择新疆，是因为其夏季极度干燥、降雨稀少，能最大程度排除自然降雨干扰，实现对灌溉水分的精准控制。然而，这也意味着团队成员必须直面最严酷的自然环境。

每年7~8月，新疆最炎热的季节，正是玉米开花授粉的关键期，也是团队必须坚守田间的日子。论文共同第一作者、中国农业大学博士后朱朝晖每年夏天都要在新疆进行表型调查。

朱超晖在玉米地里进行表型调查。受访者供图

表型调查是极其枯燥且艰辛的体力与耐心考验。“每天至少要到地里观察每一棵植株1~2次”，逐株检查、记录每株玉米雄穗散粉和雌穗吐丝的精确时间，以计算ASI。由于不同材料的散粉、吐丝时间不一样，这段表型鉴定的时间大约持续40~50天。

然而，光光是忍受高温并不能拿到好的实验结果。精准控制水分才是实验成败的生命线。为此，他们在田间埋设土壤水势探头，实时监测水分状况，并依靠多年经验，在玉米生长前期正常灌溉以保证植株健康，在开花期则精准控制灌水量以制造“合适的干旱胁迫”。

“取表型数据那几年正好赶上新冠肺炎疫情。”朱超晖说，疫情封控曾让这项精细工作雪上加霜。有段时间他们被困在合作单位新疆农科院宿舍里，无法正常下地，实验的连续性与数据质量承受着巨大压力。

加上前期播种、管理和后期收获，以及冬季赴海南南繁加代，朱超晖每年都有3~4个月扎根在玉米地里。通过数年的田间表型鉴定与连锁分析，他们先将目标基因的区间缩小到2.6兆碱基对，再通过分析数千个重组单株，逐步将区间缩小至614千碱基对，最终锁定到一个仅包含一个基因及其上游序列的极小范围。“整个过程就像大海捞针。”朱超晖说。

2022年夏天，在新疆的田间，当对玉米材料表型数据进行最后的统计分析后，结果清晰地显示：他们找到的基因ZmSAUR72，能显著缩短干旱下的ASI。那一刻，长期积累的压力化为欣慰。“觉得这4年的时间没有白干，而且这个方向是对的。”朱朝晖感慨道。秦峰在回顾时说：“我们克服了所有的困难，穿过了所有未知的黑暗的时候，最后获得成功时，反而有一种理所当然的欣然接受。”

为玉米装上抗旱“稳定器”

2024年论文投稿给《自然》杂志后，审稿人表示，这些发现对玉米研究人员、育种专家及相关产业具有巨大的潜在价值，可为培育抗旱玉米品种提供重要依据。同时要求他们补充多年多点的产量数据。团队又花费一年半时间，在新疆、甘肃、海南等多地重复实验，获得了高度一致的增产数据。同时，他们还补充了另一个互作基因ZmPP2C-D1的基因编辑验证工作，使研究机制更完整、应用路径更清晰。

2026年4月20日，这项历时十年的研究终于在《自然》杂志被正式接收。《自然》杂志高级编辑米歇尔·特伦克曼表示，该研究鉴定出的基因及其作用机制能使玉米更抗旱，即使在缺水条件下也能确保高产，从而为培育具有气候适应力的玉米提供了育种方向。

研究表明，在优良抗旱材料中，ZmSAUR72基因的启动子区存在一段609-bp的缺失，这使得该基因在干旱胁迫下仍能在花丝中保持较高表达。其编码的SAUR72蛋白能够与蛋白磷酸酶ZmPP2C-D1互作，并抑制其活性，从而解除对质膜H+-ATPase（质子泵）的抑制。激活的质子泵促进氢离子外排，酸化并松弛细胞壁，最终驱动花丝细胞快速伸长，促进吐丝，有效缩短干旱下的ASI，显著稳定产量。

更为重要的是，该研究为分子设计育种提供了“一正一负”双路径。一方面，可以利用ZmSAUR72的优异等位基因（启动子区缺失型），通过分子标记辅助选择或基因编辑将其导入育种材料。团队对1011份玉米材料的分析发现，约有20%的种质仍携带非优异的插入型等位基因，这些是重点改良对象。

另一方面，可以直接编辑其负调控因子ZmPP2C-D1基因，敲除后同样能增强抗旱性，这为育种提供了另一个高效靶点。

回顾这场持续十年的攻关，秦峰强调：“做科研，尤其是做这种有挑战性的工作，就像在黑暗中摸索。很多时候你并不知道路在哪里，但你不能停下来，你必须一直往前走，不断地试错、调整。最关键的是，整个团队要互相信任，互相支持。”这项成果是团队每个人——从田间表型调查到分子机制解析，从实验设计到论文撰写——各展所长、紧密协作的结晶。

展望未来，团队的目标清晰而坚定：推动成果走向应用。他们计划利用该基因的分子标记，对现有种质资源进行大规模筛查和辅助选择，同时利用基因编辑技术，直接创制更优的等位基因或敲除负调控基因。

“我们的工作不只是发一篇论文，”秦峰说，“最终目标是希望我们的发现能真正用到育种中，为我国的玉米生产带来一些实际的帮助。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10566-9