理想株型塑造之于玉米耐密改良

王寶寶 王海洋

（1. 中國農業科學院生物技術研究所，北京 100081；2. 中國農業科學院國家南繁研究院，三亞 572025；3. 海南崖州灣種子實驗室，三亞 572025；4. 華南農業大學生命科學學院，廣州 510642；5. 嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室，廣州 510642）

玉米（Zea mays L.）是世界上重要的糧食、飼料和工業原材料，其總產量約占全球谷類作物總產量的37.2%（FAO statistics, https://www.fao.org/faostat/en），其充足供應對保證世界范圍的糧食安全至關重要。從2012年開始，我國玉米的單產和總種植面積超過了小麥和水稻（2008年開始種植面積躍居第一，FAO statistics, https://www.fao.org/faostat/en），成為我國的第一大農作物。因此，玉米產量供應也是我國糧安國穩的重要保證。近年來，由于畜牧、深加工等玉米剛需產業的快速發展，玉米產量的需求日益增長。而一方面，我國是典型的人多地少的國家，人均耕地面積只有世界平均水平的1/3；另一方面，我國種植業結構調控，需要維持甚至調減玉米種植面積；同時，國際環境的動蕩及國際貿易摩擦，使玉米進出口貿易極不穩定。重重壓力之下，我們不得不把提高單位面積的產量作為提高我國玉米產出的主要手段。

研究表明，提高品種耐密性和種植密度是提高玉米單產的關鍵。作為玉米種植和生產大國，在過去80年里，美國玉米的種植密度從～30000株/hm2（1930s）［1]提高到了近期的～70000株/hm2（62000-104000 株/ hm2）［2]；同時，單產也從20世紀30年代的1287 kg/ hm2提高到2010年的9595 kg/ hm2［2]；而研究表明，該過程中玉米單株產量和雜種優勢的提升并不明顯［3]，單產的增加更多的是由于種植密度和品種耐密性的持續增長［4-7]。而對中國不同年代玉米品種的研究也顯示，隨著時間的推移，我國玉米的種植密度也在逐漸加大，但相較于早期品種，近現代品種在產量、葉夾角、光合效率、抗倒性、空桿率等重要農藝性狀方面都表現出對高密度栽培條件的更好適應性［8-12]。由此可見，提高品種耐密性和種植密度是現代玉米育種和生產中的重要目標和趨勢。

耐密型玉米材料需要有理想的株型。耐密性的實質是在高密度環境下玉米群體光合效率高，光合產物“源” “流” “庫”合理高效運轉，以獲得較高的群體產量。研究表明，塑造合理的玉米株型，能改善玉米冠層結構從而增強群體內的通風透光特性、增加有效葉面積系數，保證充足的“源”（光合產物）的供應，從而實現密植高產［2,7,13-14]；另外，在“源-庫”關系方面，耐密型玉米對產量的突破并不單單依賴于“源”或“庫”單方面的加強，更多的是在較高水平上實現了“源”與“庫”的平衡，尤其是雌雄之間的協調和平衡［15]。葉夾角、雄穗大小等是玉米冠層結構的重要組成部分，在植物光截獲、光合效率的提升方面發揮著重要作用，且雄穗作為重要的“庫”器官對同化物的合理分配，及“源-庫”平衡也意義重大；株高和穗位高會影響玉米植株重心，進而影響玉米抗倒伏能力，且玉米高度也會影響植株的收獲指數，影響“源-庫”平衡；而合理的開花期是玉米合理避害，并適應不同生態區及現代栽培制度的關鍵。因此，這4類性狀（雄穗大小、葉夾角、株高/穗位高、開花期）是影響玉米耐密性的關鍵株型性狀［2,16]。過去幾十年的現代玉米育種史中，玉米的種植密度和耐密性連續提高。本團隊通過對350份不同年代、及1604份不同雜種優勢類群的玉米材料進行分析發現，現代玉米育種過程中，玉米材料都向著葉夾角更緊湊、雄穗分枝數更少、穗位更低、開花期更早這4個方向選擇［17-18]（圖1），這些發現也與前人的報道一致［4-6,12,14,16,19]，印證了這些形態性狀改良及“源-庫”平衡對玉米耐密育種的重要意義。系統地解析這4類性狀調控的遺傳基礎和分子機理，對塑造理想株型、培育耐密植玉米新品種意義重大。因此，本文將重點就這4類性狀遺傳調控基礎方面的研究進展進行綜述。

圖1 玉米耐密株型改良的4個關鍵方向Fig. 1 Four important plant architecture traits for increasing high-density tolerance in maize

1 玉米葉夾角遺傳調控基礎

降低植株的莖葉夾角、塑造緊湊株型是提高玉米耐密性的關鍵。較小的莖葉夾角可以減少玉米植株之間的相互遮蔭，改善田間整體的冠層結構，增強植株間的通風透光性，更利于玉米功能葉（穗位葉、穗上第一葉和穗下第一葉）捕獲陽光和進行光合作用，利于玉米群體產量的提高［6,20-23]。研究發現，將平展株型玉米品種改造為緊湊型可顯著提高耐密性，密植條件下增產幅度可達16.9%，反之把緊湊型玉米品種改造為平展株型，密植條件下減產幅度可達13.79%［24]，足見葉夾角性狀改良對提高玉米耐密性和群體產量的重要性。另外，緊湊株型帶來的良好通風透光特性還將大大增加植株下層的紅光/遠紅光（R/FR）的比例，減少密植避蔭反應造成的莖稈徒長、根系變弱、莖稈強度降低等不利影響，利于玉米穩產［25-29]。不同的研究都表明，現代玉米育種過程中葉夾角都向著越來越緊湊的方向改良［12,14,17,19]，而這種趨勢和玉米耐密性的提升是高度相關的，再次印證了葉夾角改良對玉米耐密育種的重要性。

玉米的葉片由葉鞘（sheath）、葉片（blade）及連結二者的葉枕3部分組成。其中葉枕區域包括葉舌（ligular）和葉耳（auricle）等部分。葉片的近軸面靠近主莖干，而遠軸面則偏離朝外，葉片與主莖的夾角為葉夾角。葉夾角大小主要受4方面影響：（1）葉舌形態建成。玉米中無葉舌或葉舌發育異常的突變體往往表現出葉夾角極度變小的表型［30-34]。（2）葉耳的發育。前人研究表明，葉耳的大小與葉夾角的大小有明顯正相關性，一般平展型玉米的葉耳細胞數目明顯多于緊湊型玉米［35-36]。（3）葉枕橫截面近、遠軸面維管束、厚壁組織、薄壁組織細胞數目和木質化程度影響葉夾角的大小。一般來說，當遠軸端厚壁組織增多時，影響機械支撐力以及葉耳發育情況，可間接影響葉片直立程度，導致葉夾角相應減小［36-38]。（4）葉片的支撐組織。重力在植物發育和植物結構塑造中發揮著重要作用，玉米葉片反重力向上生長，葉脈支撐著葉片防止其彎曲，保證了葉片的生理功能順利進行，尤其是主脈。一些影響中脈發育的突變體也會顯著影響玉米葉夾角［39]。

在過去的幾十年里，研究人員對葉夾角形成的遺傳機理進行了大量的探索研究。根據已克隆基因的細胞學及生理生化作用機制，可將調控玉米葉夾角形成和發育的基因分為3類，即葉夾角自身形態建成過程中與葉舌葉耳發育相關基因、植物激素調控途徑相關基因和葉片中脈部位機械組織形成途徑相關基因（附表1）［38,40]。首先，玉米自身葉耳葉舌的形成發育對葉夾角具有重要調控作用。玉米的LIGULELESS1（LG1）編碼一個SPL（SQUAMOSA promoter-binding protein-like）類轉錄因子，LG2編碼一個bZIP類轉錄因子，LG3和LG4都編碼Class1類Knotted1-like homebox（KNOX）轉錄因子，這些基因突變后都表現出葉耳葉舌缺失的表型，葉夾角顯著減小［30,32-34]。其中lg1是第一個被報道的無葉舌突變體，LG1也是葉耳葉舌形成最核心的調控因子。研究顯示，LG1在原葉枕帶中特異表達，且在近軸端表皮細胞中表達促進葉舌正常發育，在內層葉肉細胞組織中表達促進葉耳的形成。LG1功能缺失后任何部位葉片都無葉耳或葉舌發育，葉片直立，葉夾角接近0°［20,30,41-42]。LIGULELESS NARROW1（LGN1）編碼一個絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶（serine/threonine kinase）。該基因對玉米葉片邊界的建立具有重要調控作用，其突變后葉夾角變小，葉片中脈部位會有異位葉舌形成［31]。基因表達分析顯示LG2對原葉枕帶形成的調控可能在LG1之前［32]，LGN1可能在LG1基因的上游發揮作用［31]。第二，植物激素調控途徑相關基因對對玉米葉夾角的調控作用。（1）油菜素內脂（brassinolide, BR）相關基因對玉米葉夾角具有關鍵調控作用。所有植物激素中，BR被認為是調控禾本科植物葉夾角的最核心植物激素。玉米中BR合成關鍵酶基因（如ZmDET2/NA1、ZmDWF1/NA2、ZmDWF4、ZmBRD1）突變后都表現為不同程度葉片直立的表型［43-46]。BRI是BR信號途徑中的關鍵調控因子，將玉米中多個ZmBRI同時通過RNAi技術敲低后，玉米葉夾角也變小［47]。玉米ZmILI1編碼一個bHLH類轉錄因子，也是BR信號傳導途徑中的重要調控因子，其突變后玉米葉夾角顯著變小［48]。近期的一項研究表明ZmRAVL1可通過調控BR合成調控葉夾角，其可以直接激活ZmBRD1的表達，造成葉枕部位BR含量增加和葉夾角增大；此外還發現ZmDRL1和LG1都可以直接綁定到ZmRAVL1上游調控區，而ZmDRL1可以和LG1互作，抑制LG1對ZmRAVL1的轉錄激活，從而調控BR合成和葉夾角，并且ZmRAVL1上游調控區的優良等位變異具有實現玉米耐密育種的巨大應用潛力［36]。（2）其他激素對玉米葉夾角的調控作用。玉米Brachytic2（Br2，又名ZmPGP1）基因編碼一個生長素的轉運載體蛋白P-glycoprotein，其突變后玉米株高變矮，葉夾角更直立［49]；此外，之前的報道顯示LGN1可以調控生長素極性運輸相關的ZmPIN1a蛋白在葉枕部位的磷酸化狀態，印證了生長素可能也在葉夾角形成過程中發揮重要作用［31]。玉米ZmACS7編碼一個乙烯合成關鍵酶，其突變后玉米葉夾角變大、植株變矮［50]，表明乙烯可能也在葉夾角調控中具有重要作用。第三，葉片維管束發育和葉脈機械組織形成相關基因對葉夾角也具有重要調控作用。玉米中的ZmDRL1和ZmDRL2均編碼含C2C2鋅指結構域的YABBY轉錄因子，其雙突變體葉片中脈維管束發育缺陷（中脈變窄甚至缺失），葉片遠軸端維管束鞘附近厚壁細胞數目明顯減少，葉耳增大，葉夾角增大，葉片極度下垂。這兩個基因中，ZmDRL1單獨突變后玉米葉片即表現出平展耷拉下垂，葉夾角變大，Zmdrl2對Zmdrl1的表型有強化作用。這些研究結果表明，玉米葉片中脈部位機械組織的發育對葉夾角和葉片直立性狀具有重要調控作用［39]。除以上報道外，還有其他一些基因對玉米葉夾角具有重要調控作用。如玉米ZmCLA4是通過QTL克隆得到的一個葉夾角調控基因，其編碼一個跟重力響應相關的LAZY蛋白，ZmCLA4的表達豐度與玉米葉夾角的大小顯著負相關［51]。玉米ZmTAC1編碼一個與水稻TAC1同源的蛋白，群體遺傳學證據表明其也可能參與玉米葉夾角的調控［52]。

玉米葉夾角是多基因調控的復雜數量性狀［17,53]，盡管已有部分調控基因被報道，但相對于該性狀遺傳基礎的復雜性，所克隆基因的數量還是相對較少。在水稻中有較多報道顯示生長素和GA合成及信號相關基因對葉夾角具有調控作用，然而玉米中的這兩類基因對葉夾角調控作用的研究報道還較少，尤其是GA對玉米葉夾角的調控研究幾乎還是一個空白領域。此外，BR作為調控葉夾角的最主要植物激素，在玉米中的研究還嚴重落后于擬南芥和水稻，也是將來亟需研究的重點方向。

2 玉米雄穗分枝數遺傳調控基礎

雄穗是玉米重要的生殖器官，可以影響玉米的冠層結構組成及光合作用效率，從而影響單株及群體產量。雄穗生長在玉米植株頂端，其大小直接影響玉米群體中的通風透光情況（遮蔽光照可達6.5%-28.8%）［13,54]；并且過大的雄穗造成的過量的花粉散落，會造成下層葉片上粉塵的黏著而影響光合作用，影響“源”的供給［55]。此外，雄穗也是重要的“庫”器官，且發育比雌穗早，在營養競爭上明顯比雌穗優越，而二者的競爭將直接影響玉米的收獲產量［56]。一般情況下，雄穗的大小與產量呈負相關，相關系數達-0.65，在產量形成總變異中其作用可高達37.4%［57]。生產實際中也證實，玉米散粉后去雄可以顯著提高玉米產量5.3%-16.0%［20,58-59]，反映了雄穗與產量之間的重要關系。研究表明雄穗大小在過去幾十年的育種過程中經歷了連續的高強度選擇［12,14,17,19]，特別是育種進程比較快的商業化育種單位，如歷史上先鋒公司（pioneer）雜交種的雄穗大小 1967-1991 年降低了 36%［4]，揭示了雄穗性狀的改良對玉米育種的重要意義。

玉米雄穗的形成經歷了一系列的發育過程。當玉米從營養生長階段進入生殖生長階段的時候，莖頂端的莖尖分生組織（SAM）先分化成為花序分生組織（IM）；之后IM產生名為分枝分生組織（BM）的側生分生組織，將來分化成為雄穗基部的分枝。一般只有IM基部的少數側生分生組織能最終分化成為雄穗分枝，其余大部分變成了多列的小花對分生組織（SPM）。雄穗分枝上也能形成SPM，但一般以兩列的形式排列。一般BM處于低確定狀態，可以沿著分化的方向繼續生長，而SPM處于較高的確定狀態，一般比較短。每個SPM會形成一個具有兩個小花分生組織（SM）的短的分枝。而SM產生穎殼原基（可由此來區分SM和其他分生組織）和兩個成花分生組織（FM）——上成花組織（UFM）和下成花組織（LFM）。每個FM接著分化出一個外稃、一個內稃、兩個漿片、3個雄蕊和一個雌蕊。接下來雌蕊退化，形成了最終的玉米雄花［60-61]。

玉米雄穗發育有著復雜的遺傳調控網絡（附表1）。首先，玉米分生組織的決定和分化對雄穗的發育至關重要。玉米中有許多已經報道的基因參與到了該過程中。如參與CLAVATA（CLV）-WUSCHEL（WUS）信號通路影響頂端分生組織決定的THICK TASSEL DWARF1（TD1，與擬南芥CLV1同源）及FASCIATED EAR2（Fea2，擬南芥CLV2的同源基因）［62-63]，與GRF互作影響分生組織決定的 GROWTH REGULATING FACTOR-INTERACTING FACTOR1（GIF1）［64]，影響花序分生組織決定的ZFL1和ZFL2［65-66]，參與小穗分生組織的決定的BRANCHED SILKLESS1（BD1）［67]，通過影響miRNAs產生而參與分生組織決定的FUZZY TASSEL（FZT，編碼Dicer-like1的同源基因）［68]，控制小穗分生組織到成花分生組織轉化的AP2-like基因INDETERMINATE SPIKELET1（IDS1）、SISTER OF INDETERMINATE SPIKELET1（SID1）等［69-70]。其次，玉米中分生組織的維持也決定雄穗的發育。此類基因的突變往往造成雄穗不同程度的發育缺陷。如編碼Class 1 KNOTTED 1-like homeobox（KNOX）蛋白的KNOTTED1（KN1）基因［71-72]，與KN1互作參與側生分生組織維持的BLH12/BLH14基因［73]，參與硫胺素合成影響碳代謝通路的BLADEKILLER1-R（BLK1-R）基因［74]，參與體內微量元素硼運轉的ROTTEN EAR（RTE）基因等［75]。第三，側生分生組織的產生和向外生長對雄穗分枝的形成及生長至關重要。此類基因的突變往往造成雄穗分枝表型的變化。如參與生長素（IAA）生物合成的VANISHING TASSEL2（VT2，擬南芥TAA1/TAR的同源基因，催化IAA合成的第一步）［76]、SPARSE INFLORESCENCE1（SPI1，擬南芥YUCCA 的同源基因，編碼IAA合成途徑中的限速酶）［77]，參與生長素的極性運輸的BARREN INFLORESCENCE2（BIF2，與擬南芥PINOID 同源）［78]，與BIF2互作的BARREN STALK1（BA1）［79]，可以調節BA1表達的BARREN STALK FASTIGIATE1（BAF1）［80]，控制雄穗分枝角度的BRANCH ANGLE DEFECTIVE 1（BAD1）［81]，參與RAMOSA通路（通過調控側生分生組織建立來調控分枝）的RAMOSA1（RA1）［82]、RAMOSA2（RA2）［83]、RAMOSA3（RA3）［84]、RAMOSA ENHANCER LOCUS2（REL2）［85]，受MIR156調控的SBP-BOX基因UNBRANCHED2（UB2）、UNBRANCHED3（UB3）、TASSELSHEATH4（TSH4）［86-87]，對葉夾角及側生器官建立起重要作用的LG1、LG2基因［20,88]，以及獨腳金內酯關鍵信號傳遞因子ZmD53［89]等。這些基因相互之間往往存在著復雜的調控關系，如rel2可加重RAMOSA通路基因（RA1、RA）突變體的表型［85]，RA2可直接結合TSH4啟動子并轉錄抑制其表達等［17]，ZmD53可以與轉錄因子UB3和TSH4互作，抑制UB3和TSH4的轉錄激活活性和下游靶基因UB3和TSH4的表達水平，從而調控玉米的雄穗分枝數［89]。第四，開花期基因也可以影響玉米雄穗的發育。如編碼單子葉植物特異鋅指轉錄因子的INDETERMINATE1（ID1）［90]，及與擬南芥FD同源的DELAYED FLOWERING1（DLF1）［91]，兩者都是重要的玉米開花期基因，但都影響雄穗的發育；異位表達FT同源的PEBP蛋白編碼基因ZCN1、ZCN2、ZCN3、ZCN4、ZCN5和ZCN6，或過表達影響玉米開花期和光周期適應性的ZmCCT10基因，均可以增加玉米的雄穗分枝數［92-93]。此外，近年來也有通過反向或群體遺傳學發現的一些新的雄穗分枝數調控基因，如Zm00001d006055，其EMS突變體表現為雄穗分枝數減少的表型［94]，但其參與的生物學過程和分子網絡還需進一步研究。

值得指出的是，玉米雌穗的發育與雄穗發育有著相似的過程及調控基因。許多花序發育的調控基因同時正調控（或負調控）雄穗和雌穗的發育。如玉米中的生長素合成及運輸途徑基因VT2、SPI1、BIF2等，其突變體雌、雄穗都表現為減少分枝或穗行數的表型，而Ramosa通路基因的突變造成雌、雄穗分枝（或穗行數）都增多的表型。但有些基因對雌、雄穗的發育有著相對獨立的調控作用。玉米SBP-box類基因，UB2、UB3的突變會減少雄穗分枝數，但顯著的增加雌穗穗行數［87,95]。玉米育種過程中傾向于選擇小雄穗、大雌穗的材料，因此，對雌、雄穗發育有相對獨立或差異調控作用的基因（如UB2、UB3）對玉米育種的意義可能更大。

3 玉米株高/穗位高遺傳調控基礎

合理的株高能有效的減少倒伏，利于同化產物向生殖器官的轉運，利于源庫的平衡和協調，極大地利于玉米高產，水稻和小麥中半矮稈育種引起的綠色革命就是很好的例證［96-97]。過高的玉米株高，特別是較高的穗位高，會顯著升高玉米植株的重心，大大增加其倒伏和倒折的概率——有人對株高和倒伏之間的關系進行研究發現，株高和穗位高與倒伏之間的相關系數可達到0.76［98]；而研究表明倒伏一般可降低玉米產量33.8%-62.2%［99-100]，并嚴重影響機械化收獲，增加收獲成本和時間，減少種植者收益58.3%-85.4%，嚴重時甚至導致絕收和負收益［100]。此外，合理的株高是提高玉米群體產量的關鍵。玉米是典型的依靠群體栽培和提高群體產量來增加產出的作物，較高的株高不利于群體內的通風透光，并會造成群體的冠層較多地吸收環境中的紅光（600-700 nm），而遠紅光（700-800 nm）則通過折射和輻射到達植物的中下層，從而降低群體中的紅光/遠紅外光比率（R/FR，～0.1-0.2），激發植株的避蔭反應綜合征（shade avoidance responses,SAR）［101]；這原本是玉米自身的一種適應性機制，但卻極不利于人類的玉米生產：會造成更多的同化物用于營養生長而不是生殖生長，直接影響玉米產量，并會導致植株徒長、莖稈變細、維管束減少、細胞壁木質素纖維素的組成和含量改變、莖稈機械強度降低，進而加重倒伏的發生［25-28,102]。另外，對玉米育種史的研究還發現，玉米株高，尤其是穗位高在過去幾十年的育種過程中經歷了連續的、向矮化方向的高強度選擇［12,14,17,19]。足見合理的株高性狀對提高玉米產量的重要性。

玉米株高主要由莖稈的節數和不同節間的長度共同決定。玉米的節間數與葉片數一致，一般玉米有15-24個節，其中4-6個節密集在地下部，玉米節間約從第5節開始伸長。地上部節數因品種不同而不同，一般早熟品種節數較少，而晚熟品種節數較多。玉米莖的伸長由頂端分生組織（SAM）和居間分生組織的細胞分裂與伸長聯合驅動。一般情況下，節間數和節間長度越小，玉米的株高越低。玉米 SAM 是在胚胎發生過程中形成的，從授粉后10 d左右開始形成。在玉米中，SAM 是一個圓頂結構，由大約2000個處于胚胎階段的細胞組成［103]。基于細胞活性可將SAM分為不同的區域。在尖端包含一個緩慢分裂的多能干細胞群，被命名為中央分生區（CZ），CZ 周圍是外圍分生區（PZ），細胞在此處分裂更快，并會產生葉原基和腋生分生組織原基。肋狀分生區（RZ）位于 CZ 下方，在那里分裂的細胞將形成莖［103]。一般玉米的節數由SAM決定。生長中的玉米節間從下到上一般可分為4部分：分生區、伸長區、過渡區及成熟區。分生區主要由居間分生組織組成，位于莖稈的節間基部緊鄰莖節，獨立于莖尖負責節間的細胞增殖。伸長區靠近居間分生組織，該區細胞膨大迅速，細胞的初生壁開始合成。過渡區緊鄰伸長區，該區的細胞膨脹減慢，細胞的次生壁開始合成。成熟區位于玉米節間的頂端，細胞膨脹停止，細胞成熟［104]。玉米株高一般在完成開花授粉后固定。玉米的穗位高一般由最上邊的果穗所著生節的位次及其下部節間的長度決定。

為了了解玉米株高/穗位高調控的遺傳基礎，前人對玉米的高度性狀進行過大量的遺傳研究，自然群體中株高/穗位高性狀是由微效多基因調控的復雜數量性狀，目前至少有數百個株高/穗位高相關的QTL或GWAS位點被定位到［17-18,105]，但QTL克隆的還非常有限。不過，迄今為止已有較多的株高突變體被克隆，對理解株高/穗位高的遺傳調控基礎很有幫助（附表1）。

首先，多種植物激素的合成、轉運和信號相關基因都對玉米株高具有重要調控作用。（1）赤霉素（gibberellin, GA）相關基因是玉米株高的最主要調控基因。GA相關基因的應用曾引發世界范圍內的綠色革命，其中在這場“革命”中發揮廣泛作用的基因分別為水稻中的Semi-Dwarf1（SD1，編碼水稻GA合成途徑的關鍵酶GA20氧化酶）和小麥中的 Reduced height-1（Rht-1編碼GA信號途徑的負調控關鍵因子DELLA蛋白）［96-97,106-107]。但是玉米中GA合成途徑基因突變往往造成株高劇烈改變，影響其育種應用：如玉米Anther Ear 1（An1）［108]和Dwarf5（D5）［109]編碼GA生物合成早期步驟的萜烯合酶（terpene synthase，TPS），An2（又名Cpps2）［110]編碼一個Ent-Copalyl Diphosphate合成酶，Dwarf3（D3）［111]編碼GA生物合成步驟中的細胞色素P450單氧化酶（P450 monooxygenases），Dwarf1（D1，ZmGA3ox2）［112]編碼活性GA生物合成最后的關鍵GA3氧化酶，其突變都會造成玉米植株的極端矮化。ZmGA20ox3和ZmGA20ox5都編碼GA20氧化酶；最近研究發現對ZmGA20ox3基因編輯后可以實現半矮稈降株高的效果［113]。此外，拜耳公司采取不同的策略，通過RNAi技術在莖稈中特異地抑制ZmGA20ox3和ZmGA20ox5基因的表達，實現了培育顯性矮稈玉米［114]。玉米DWARF8（D8）和DWARF9（D9）均編碼DELLA蛋白，當其結構域發生變異時，植株表現出矮化表型；這類由GA信號傳導途徑中的突變引起的株高變異是無法通過外施GA恢復正常表型［115-116]。赤霉素的合成調控在株高調控中也發揮重要作用，如轉錄因子ZmSPL12可通過調控D1基因的表達豐度進而影響玉米株高，過表達ZmSPL12可適度降低玉米株高、顯著增加玉米抗倒伏能力和密植條件下的產量，表現出“類綠色革命基因”的效果［117]。（2）生長素（auxin, IAA）也是影響玉米株高的關鍵激素。Vanishing Tassel 2（VT2）基因編碼一個生長素合成過程中的色氨酸轉移酶，該酶催化色氨酸向3-吲哚丙酮酸的轉化［76]，其突變后玉米植株矮化；SPI1編碼一個生長素合成過程中的限速酶YUUCA［77]，其突變后玉米也嚴重矮化，并且植株的生殖發育也受到顯著影響，雄穗和雌穗發育異常。除了合成，生長素轉運相關基因對玉米株高也有重要調控作用。玉米中的Brachytic2（Br2）基因編碼一個生長素的轉運載體蛋白P-glycoprotein，其突變后會引起玉米下部節間中的居間分生組織中生長素的極性運輸異常導致植株矮小［118]；BREVIS PLANT1（BV1）編碼一種肌醇聚磷酸5-磷酸酶，參與玉米生長素運輸，其突變體與br2表型相似，表現出玉米植株下部節間縮短緊湊［119]。ZmPIN1a編碼一種生長素極性運輸相關的PIN蛋白，其過表達后玉米的株高適度降低、根系更發達、抗旱能力增強［120]。（3）油菜素內脂（brassinolide, BR）對玉米株高也具有重要調控作用。ZmDET2（Deetiolated 2，又名Nana Plant1，NA1）編碼類固醇5α-還原酶，被認為是油菜素類固醇物質生物合成的限速酶，其突變體表現為雄穗雌化和植株矮小等表型［43]。ZmDWF1和ZmDWF4分別和擬南芥中的DWF1和DWF4同源，參與BR合成，突變后株高變矮［44-45]。ZmBRD1（Bromodomaincontaining protein 1）編碼油菜素類固醇C-6氧化酶，是合成油菜素類固醇最后階段的關鍵酶，其突變體表現為極端矮小、葉片皺縮、雄穗雌化、不能結實［46]。（4）獨腳金內酯（strigolactones，SLs）影響玉米株高。玉米CAROTENOID CLEAVAGE DIOXYGENASE8（ZmCCD8）編碼類胡蘿卜素裂解雙加氧酶，在獨腳金內酯的生物合成中起著重要作用，其突變體表現為植株矮小、多分蘗、莖稈變細等表型［121]。玉米ZmD53是獨腳金內酯的關鍵信號傳遞因子，在玉米中表達一個功能獲得型的Zmd53突變蛋白可以顯著降低玉米株高［89]。（5）乙烯（ethylene）也會影響玉米株高。玉米Semi-Dwarf3（SDW3）基因編碼一個乙烯合成關鍵酶ZmACS7，其突變后玉米植株變矮，且葉夾角變大［50]。

第二，玉米分生組織決定或維持相關基因對株高也有重要調控作用。植物中CLAVATA-WUSCHEL（CLV-WUS）反饋調節途徑是頂端分生組織維持和發育的關鍵調控回路［122]。玉米THICK TASSEL DWARF 1（TD1）編碼一個擬南芥CLAVATA1的同源蛋白，其突變后，玉米花序頂端膨大變粗、株高變矮［63]。玉米COMPACT PLANT2（CT2）編碼G蛋白復合體的α亞基（Gα），其參與CLAVATA信號的傳導來影響頂端分生組織的發育，其突變后玉米株高顯著降低［123]。Dwarf&Irregular Leaf1（DWIL1）編碼一個AP2類轉錄因子，在頂端分生組織中高表達，其突變后玉米葉片變短、有皺紋，節間縮短，株高降低［124]。玉米BLH12 和BLH14均編碼BLH（BELL1-like homeobox）類的轉錄因子，可以與頂端分生組織維持相關的KN1互作來調控莖稈和維管系統發育，其雙突變體的株高顯著降低，莖稈維管束減少［73]。玉米GIF1（Growth Regulating FactorInteracting Factor1）編碼一個與水稻OsGIF1同源的蛋白，參與玉米分生組織的命運決定，其突變體的株高顯著降低［64]。

第三，光信號相關基因對玉米株高也具有重要調控作用。光信號是調控玉米植株發育的關鍵信號途徑，玉米中的Elongated Mesocotyl1（ELM1）編碼一個phytochromobilin合成酶，對光敏色素的合成至關重要，其突變后植株中大多數的光敏色素缺乏，表現為早花、株高升高的表型［125]。玉米ZmPHYB是調控避蔭反應的關鍵光敏色素，Zm-PHYB1 和ZmPHYB2同時突變后，玉米株高顯著降低，但Zmphyb1單突變體株高有所上升［126]；我們前期研究發現，通過對ZmPHYB1蛋白進行Y98F或Y359F改造（將第98位和第359位的酪氨酸改變為苯丙氨酸），可創制ZmPHYB1蛋白活性增強的遺傳材料，其株高和穗位高顯著降低，避蔭反應減弱，有望實現玉米耐密育種應用［127]。玉米ZmPHYC也是避蔭反應的關鍵調控因子，ZmPHYC1和ZmPHYC2同時突變后，玉米株高顯著升高，而過表達ZmPHYC2可顯著降低玉米株高［128]。玉米光敏色素互作因子（phytochrome-interacting factors,PIFs）在避蔭反應中也起重要調控作用［129]。玉米中至少有7個PIF蛋白，分別與擬南芥中參與避蔭反應的PIF1、PIF3、PIF4、PIF5同源，并且這些ZmPIFs幾乎都參與了玉米的光信號傳導和避蔭反應調控［130]。其中ZmPIF3.3突變后株高顯著降低，并且其優良等位基因型在現代玉米育種過程中受到了顯著的富集選擇［17]。

第四，其他影響玉米株高的基因。玉米TANGLED1（TAN1）編碼一個微管結合蛋白，參與細胞骨架的調控，其突變后玉米株高顯著降低，并且莖葉形態發生改變［131]。ZmRPH1編碼另外一種微管結合蛋白，其可以通過調節微管排列參與玉米株高和穗位高的調控，其過表達后玉米株高和穗位高顯著降低［132]。qPH7編碼一個NF-YC類轉錄因子，可能通過與一個CO-like蛋白和一個包含AP2功能域的蛋白互作來調控玉米株高［133]。ZmEMF1L1編碼一個與擬南芥EMBRYONIC FLOWER1（EMF1）同源的蛋白，其突變后玉米穗位高升高［18]。Zm00001d011140編碼一個含WD-40功能域的蛋白，其EMS突變體的穗位高顯著降低［94]。ZmPYL10編碼一個ABA的受體蛋白，其突變后玉米株高、穗位高顯著降低，并且其優良單倍型在現代玉米育種過程中受到富集選擇［134]。此外，玉米中的SUCROSE EXPORT DEFECTIVE1（SXD1）［135]、ROOTHAIR DEFECTIVE1（RTH1）［136]、CR4［137]、VP8［138]、RS2［139]等基因都可以通過影響玉米的發育間接地影響玉米株高。

雖然目前已有一些關鍵株高基因被克隆，但其中大部分基因的突變體往往攜帶一些不利效應：分生組織命運決定相關基因突變后往往改變株高的同時，會造成花器官發育的改變，不利于高產；而激素途徑相關基因突變后，往往造成玉米節間的過分縮短，造成玉米株高的過分降低，大大減小玉米的生物量，減小源的供應能力，影響玉米花器官的發育，也降低庫的容量，極不利于玉米高產，難以應用于玉米育種實踐中。因此，尋找一些新的株高調控基因或者株高基因的優良等位變異是實現有效玉米株高育種的重要途徑。

4 玉米開花期遺傳調控基礎

適宜的開花期是決定玉米適應現代栽培制度及不同生態環境種植、繼而保證其產量供應的關鍵。我國共有6大玉米種植區，其中北方春播玉米區和黃淮海平原夏播玉米區是兩大玉米主產區。對于北方春播玉米區，適當早花能保證玉米有足夠的時間進行灌漿并避開后期的霜凍，利于高產；對于黃淮海夏播玉米區，受“一年兩熟”耕作制度的影響，適當早花是保證玉米產量和后茬作物正常輪作的關鍵。此外，研究表明，適當早花還有利于降低玉米空桿率和加速籽粒脫水［140]，并且針對玉米開花期基因的改良還有助于玉米根系性狀的改善［141]。對美國和中國不同年代玉米自交系的研究還表明，開花期是玉米育種中重要的選擇性狀，并且早花是近現代中美玉米育種歷程中共同的選擇趨勢［12,14,17]。因此，發掘控制玉米花期的關鍵調控基因、更好地理解玉米花期調節機制，對于改良和培育耐密及適合不同生態區種植的玉米新品種至關重要。

通常情況下，玉米的開花，先要經歷從幼齡期向成年期的營養生長時相轉變，然后再從成年期的營養生長通過成花轉變進入生殖生長階段［142]。其中營養生長的時相轉變（幼齡葉到成熟葉）伴隨著葉型變化、葉及葉鞘表面角質層蠟的消失、表皮毛的著生等變化。幼齡葉經甲苯胺藍染色（toluidine blue O staining, TBO）后呈現紅紫色，而成熟葉呈現藍色。玉米成花轉變（即從營養生長階段進入生殖生長階段）的典型特征就是頂端分生組織（SAM）開始伸長轉變為花序分生組織（IM）［143]。玉米完成成花轉變后，IM會逐步分化出BM、SPM、SM、FM等，最終形成完整的花序，完成開花。

鑒于花期對于玉米生產的重要性，前人已對玉米花期的遺傳和分子調控機制開展了大量研究。玉米開花期是由多基因控制的復雜數量性狀［144-145]，目前僅有少數的玉米開花期基因和數量性狀位點（QTL）被克隆和功能驗證。根據已有報道，至少有6條信號途徑參與玉米的開花調控（附表1）：光信號途徑、光周期和生物鐘途徑、自主途徑、GA途徑、年齡途徑和開花整合子［146]。第一，光信號途徑是玉米感受外界環境信號改變進而調控玉米開花的關鍵途徑。光敏色素是植物響應外界光、溫等環境信號變化的重要受體，玉米中Elongated Mesocotyl1（ELM1）突變后，玉米中缺乏光敏色素，植株在長日條件下表現為顯著早花［125]。玉米中共有6個光敏色素編碼基因，分別為ZmPHYA1、ZmPHYA2、ZmPHYB1、ZmPHYB1、ZmPHYC1和ZmPHYC2［147]。其中Zmphyb1/Zmphyb2［126]及Zmphyc1/Zmphyc2［128]雙突變體都較野生型在長日條件下顯著早花，ZmPHYB1和ZmPHYB2在開花期調控方面還存在一定的功能分化［126]，ZmPHYB2的啟動子區存在可提高其表達量進而促進玉米早花的優良單倍型，該單倍型在現代玉米育種過程中受到選擇［134,148]。第二，光周期和生物鐘途徑是調控玉米開花期和光周期敏感性的核心途徑。玉米中被報道的生物鐘相關基因主要有ZmCCA1、ZmLHY、ZmPRR7、ZmPRR73、Zm-PRR37、ZmPRR59、ZmTOC1a、ZmTOC1b、Zm-GI1a、ZmGI1b、ZmELF3.1、ZmELF3.2、Zm-LUX1、ZmLUX2、ZmLUX3、ZmLUX4、ZmELF4.1、ZmELF4.2、ZmCONZ1、ZmCOL3、ZmCCT9、ZmCCT10、ZmNF-YA3、ZmNF-YC2等［145-146,149-159]。其中對玉米的生態適應性擴展起關鍵調控作用的基因是ZmCCT9［155]、ZmCCT10（水稻光周期響應調控因子Ghd7的同源基因）［152,154]和ZmELF3.1［158]，它們在LD和SD條件下都呈現出明顯的節律表達，其中ZmCCT9和ZmCCT10受選擇的等位基因在SD條件下節律表達的幅度顯著下降，從而降低了玉米的光周期敏感性；有意思的是，這3個基因的選擇都是通過對啟動子區的變異進行選擇而實現的：ZmCCT9基因上游57 kb處的一個Harbinger-like元件、ZmCCT10基因上游2.5 kb處一個CACTA-like轉座子和ZmELF3.1 上游兩個連鎖的轉座子在玉米溫帶適應過程中受到選擇［152,154-155,158]。第三，自主途徑在調控玉米開花過程中也發揮著關鍵作用。ID1是玉米自主開花途徑重要成分之一，編碼一個高等植物特異的鋅指蛋白，在成花物質從葉片向頂端分生組織運輸的過程中起重要作用，其突變會嚴重推遲玉米開花［90]。VGT1位于一個2 kb的保守非編碼區，作用于下游的AP2-like的轉錄因子——ZmRAP2.7，進而調控玉米開花［160]。此外，玉米中的ZmMADS69可通過下調ZmRAP2.7的表達，從而解除其對成花素基因ZCN8的抑制，進而促進玉米開花，并且可能在玉米由熱帶向溫帶的適應過程中發揮著關鍵作用［161]。第四，GA途徑也對玉米開花具有重要調控作用。玉米中GA合成通路關鍵基因DWARF1、DWARF3、DWARF5和AN1可通過調控體內GA含量，進而影響玉米營養生長時相轉變和開花期［162]。此外，玉米中的DWARF8（D8）和DWARF9（D9）是一對同源基因，均編碼DELLA蛋白，在GA信號傳遞過程中發揮重要作用［116]；雖然D8基因及其附近的自然變異在調控玉米開花方面的功能存在爭議［163-164]，但DWARF9突變后表現出顯著的晚花［116]。第五，年齡途徑主要通過對玉米營養生長時相轉變的調控來影響玉米開花。營養生長的時相轉變是指植物從幼齡期向成年期營養生長的轉變，其早晚對玉米成花至關重要［142,165]。植物營養生長時相轉變調控過程中，miR156和miR172是一對調控功能相反的小RNA，miR172具有正調控營養生長時相轉變的功能［166]，而miR156是玉米營養生長的時相轉變的關鍵負調控因子［167]。玉米Corngrass1（Cg1）突變體中ZmMIR156B和ZmMIR156C表達量顯著上調，表現為幼齡葉增加、營養生長的時相轉變和開花推遲等表型，且Cg1突變體中多個miR172的表達豐度均顯著降低［167]。Gloosy15（Gl15）基因編碼一個APETALA2（AP2）類轉錄因子，能被miR172靶向剪切，是營養生長時相轉變的關鍵負調控因子，GL15過表達后玉米營養生長時相轉變和開花推遲［168]，其自然變異在玉米馴化過程中受到顯著選擇［169]。我們最近研究發現，ZmSPL13和ZmSPL29也是玉米營養生長時相轉變和開花的關鍵調控因子；在葉片中，ZmSPL13和ZmSPL29不僅能通過轉錄激活ZmMIR172C來抑制Gl15的轉錄本豐度進而促進玉米提早進行營養生長時相轉變，還能直接激活成花素基因ZCN8的表達來誘導玉米開花；在莖尖分生組織中，ZmSPL13和ZmSPL29能特異性結合在花器官發育基因ZMM3/4的啟動子上，促進二者的表達，誘導玉米成花轉變［170]。第六，信號整合因子是玉米開花的核心調控樞紐。ZCN8、ZCN7及ZCN12（擬南芥FT、水稻Hd3a和RFT1的同源基因）是玉米中的成花素基因，是玉米開花過程中關鍵的信號整合者和開花促進因子［143,171-173]；其中ZCN8是最主要的成花素基因［143,173]，并且其啟動子區的兩個功能變異SNP-1245和InDel-2339對玉米馴化和向高緯度地區擴張過程至關重要［174]。DLF1基因編碼一個與擬南芥FD同源的蛋白，可與玉米的成花素蛋白ZCN8互作，并且在調控開花方面與擬南芥中的同源基因具有功能保守性，其突變會顯著的推遲玉米開花，是一個開花激活子［91]。擬南芥中SOC1的同源基因ZmMADS1也是一個重要的開花激活子，其RNAi轉基因植株表現為晚花，而其過表達后則早花［175]。ZMM4是另一個重要的開花信號整合者，編碼一個MADS-box轉錄因子，過表達之會使玉米開花期提早，并且表達分析顯示其作用于ID1、ZCN8和DLF1的下游［176]。ZFL1和ZFL2是重要的花器官發育調控因子，也是重要的開花整合因子，其各自單突變體都表現為顯著早花，ZFL1和ZFL2之間存在部分功能冗余［65-66]。此外，玉米產量性狀重要調控基因KERNEL NUMBER PER ROW6（KNR6）也具有重要的開花期調控功能，并在玉米的開花適應和產量平衡方面發揮重要作用［177]。

基于前期的研究結果，Dong等［146]提出了一個玉米花期調控的遺傳網絡。但目前為止，總體來講，玉米中克隆的花期基因遠遠少于模式植物擬南芥（擬南芥至少有306個基因參與了植物不同途徑的開花調節過程［178-179]），也遠遠落后于重要單子葉植物水稻；且玉米花期調控網絡的建立還相對滯后，是未來需要進一步加強的方向。

5 討論和展望

隨著世界人口的不斷增長，到21世紀中葉，世界范圍內的糧食產量需要翻一倍才能保證世界范圍內的糧食安全［180-183]。而耕地的有限性，迫使我們必須將提高單位面積產量作為最主要的糧食生產策略。玉米作為生產能力最強的谷物作物，其單產的進一步提升對保證世界糧食安全意義重大。玉米的育種歷史及長期的生產實踐表明，提高種植密度是提高玉米產量的最主要途徑。而如今即使是玉米生產最先進的美國，玉米的種植密度也遠遠沒有達到極限，我國玉米的種植密度更是只有美國的～60%［2,184]。因此，進一步改良品種耐密性、提高玉米種植密度是當前及未來很長一段時間我們需要努力的方向。

玉米耐密性實際上是由多種子性狀組成的復合性狀。對現代玉米耐密過程中的遺傳規律進行研究發現，除了本文所述的4類株型和形態學性狀外，一些生物和非生物脅迫、光信號及跟一些生理過程顯著相關的植物激素相關基因，在玉米耐密育種過程中都受到了選擇［17-18,185]，這也與已經報道的近現代的玉米品種表現出在高密度條件下更好地對病蟲及非生物脅迫的抗性的結論相一致［6]。因此，生物和非生物脅迫等生理過程調控基因，雖然沒有在本文中總結，但可能對耐密改良意義重大。然而，目前已有的多項研究也表明，單獨對株型進行改良實際上也可以直接提升玉米耐密性［24]，如通過嚴格的田間密度實驗證明，玉米UPA2、ZmSPL12等單基因改良即具備提升玉米耐密性的應用潛力［36,117]。

本文重點綜述的4類形態學性狀，都是多基因調控的復雜數量性狀，盡管已有較多的基因被克隆、部分性狀的調控網絡已經建立、部分關鍵基因的功能自然變異也有發掘，但鑒于這些性狀的重要性，要真正地理解這些性狀的遺傳基礎、實現真正地玉米耐密育種，依然有幾個方面的努力需要加強，也有幾方面的策略可能予以助力：

第一，耐密株型（或形態學）性狀新基因的挖掘需加強。相對于所述株型性狀的復雜性，目前克隆的基因規模和數量還相對有限，為了加強對這些性狀遺傳調控基礎的理解，更好地進行玉米耐密株型分子設計育種，亟需進一步加強這些株型性狀的新基因挖掘。

第二，基于關鍵基因的遺傳調控網絡研究是將來的研究重點。當前所發掘的基因，有相當一部分是針對單個基因功能的研究，其在整個性狀調控網絡中的定位不明及對深化性狀遺傳基礎的理解作用有限。如今，發掘新基因的同時，將其放在既有的遺傳調控網絡或建立其本身的遺傳調控網絡，已經成為發展的趨勢，這也是真正實現玉米耐密分子設計育種所必須的。

第三，關鍵育種價值基因的發掘是未來的重中之重。植物基因組中的諸多基因是個有機的整體，幾乎沒有基因是單獨行使功能的。現代生物組學分析的發展證明，基因組中單單一個基因的改變，往往就會造成數以千計的基因的表達變化［186]。因此，大多數基因影響一個性狀的同時往往也會帶來一些其他效應，并且大多數情況下，是不良的效應。但大量的研究實踐也表明，確實存在一些相對特異地改變某一性狀的基因，或能同時帶來多種優良效應的基因。性狀特異調控基因中典型的例子有：特異調控玉米葉夾角的UPA2基因/位點［36]，特異調控玉米果穗穗行數的KNR2［187]等。而一因多效基因中典型的例子有玉米中的ZMM28［188]，水稻中的IPA1［189-192]、OsDREB1C［193]等。這些成功的例子也預示著玉米中可能存在著更多的性狀特異或者一因多“優效”的基因，而這些基因往往可能是具有重大育種價值的基因，這些基因的發掘是我們未來玉米耐密生物育種的重中之重。

第四，關鍵基因的功能自然變異位點的挖掘和鑒定是未來發展的重要方向。目前所克隆基因多是通過突變體或反向遺傳學獲得，許多基因的突變體多變為極端表型，或易帶來部分不利的性狀，難以實現育種應用。大量的報道表明，一些基因mRNA表達量、蛋白豐度或蛋白功能域上的微調可以實現類似數量性狀的改良［194]，并且往往較少帶來不利效應。譬如，玉米株高調控基因Br2最后一個外顯子上的弱突變可以起到微調玉米株高的作用，成為qph1［195]和qpa1［49]等株高QTL位點的功能變異；重力響應過程關鍵基因ZmLAZY1的表達量變化可起到微調葉夾角的作用，成為葉夾角QTL qCLA4的遺傳原因［51]；ZmRAVL1上游調控區的變異也會造成其表達變化，從而微調玉米葉夾角，成為UPA2的功能變異［36]；TSH4基因啟動子區的一個SNP的變異可以打破RA2對其轉錄抑制，從而起到微調雄穗分枝數的效果［17]；ZmCCT9［155]、ZmCCT10［152,154]、ZCN8［174]和ZmELF3.1［158]啟動子區的序列變異（轉座子、InDel插入或SNP變異）會造成其表達量變化，從而微調玉米開花期或光周期敏感性；這些功能變異幾乎都沒有顯著的不良效應，具有重要的生產應用潛力，但目前此類功能變異的挖掘還非常有限。文中所述4類性狀都是多基因調控的復雜數量性狀，因此，通過對關鍵基因的數量性狀功能變異位點的挖掘和應用從而實現耐密性狀的有效改良，是未來亟需拓展的重要方向。

第五，關鍵基因的分子設計是未來的重要方向。當前，隨著基因編輯、合成生物學、人工智能等前沿技術的發展，通過對一些核心功能基因進行人為改造或分子設計有望實現數量變化、人為可控，或者比自然變異更優的育種性狀改良。當前已經有較多成功的例子。譬如，通過對番茄、水稻和玉米基因的啟動子區進行基因編輯，可實現對其產量特性進行類似數量性狀的連續人工改良［196-198]；通過基因編輯對水稻理想株型基因IPA1啟動子區進行飽和突變，可人工創制能解決每穗粒數和分蘗數之間平衡的超級優良變異［199]；通過對小麥白粉病感病基因MLO進行基因編輯，可人工創制Tamlo-R32突變，實現抗病和產量的雙贏［200]；拜耳公司通過RNAi技術特異抑制GA合成基因ZmGA20ox3和ZmGA20ox5在玉米莖稈中的表達，創制了顯性矮稈玉米材料［114]；本實驗室前期通過對ZmPHYB1進行Y98F和Y359F改造（將第98位和第359位的酪氨酸改變為苯丙氨酸），創制了株高和穗位高顯著降低、避蔭反應減弱的玉米材料［127]等。新技術的發展，給我們提供了諸多新的改良策略和機會，基于新基因或既有基因，通過新技術的融合和巧妙的設計，有望創制出自然界中不存在的優良變異，或達到自然變異不可能實現的改良效果，對于復雜的耐密改良，這無疑是一條有效的“潛力”之道。

第六，基于多位點選擇的全基因組選擇技術（genomic selection, GS）［201]是實現玉米耐密改良的高效途徑。我們前期的研究表明，現代玉米耐密育種過程中，關鍵耐密相關性狀幾乎都是通過多個位點的有利等位基因同時富集而達到性狀改良的目的［17-18]。因此，對于耐密育種而言，針對多位點同時進行選擇的GS技術可能是最好的性狀改良策略。然而，由于玉米耐密的復雜性，真正可用于玉米耐密改良的GS技術目前還未見報道，是將來亟需要突破的方向。

整體上，盡管玉米耐密非常復雜，但近年來其遺傳基礎研究進展迅猛，未來進一步研究和整合耐密育種規律、關鍵基因、前沿技術，開發綜合高效的玉米耐密育種體系是重要的玉米耐密改良策略，也是必然的趨勢。

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