中国农业大学发表最新Cell论文

发布时间：2026-07-21来源：生物世界

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

作物产量从根本上取决于收获指数（Harvest Index），即分配到籽粒中的光合产物比例。然而，收获指数的遗传和进化基础，目前仍不清楚。

2026 年 7 月 21 日，中国农业大学农学院田丰教授团队在国际顶尖学术期刊 Cell 上发表了题为：A domestication-selected enhancer coordinates source-sink balance to improve harvest index and yield in maize 的研究论文。

该研究发现了一个驯化选择的增强子——Harvest Index1（HI1），通过远距离染色质相互作用激活 BRR1，协调源器官-库器官之间的碳氮平衡，来提高玉米的收获指数和产量。这些发现为解析玉米收获指数的进化与分子调控机制提供了关键见解，也为可持续作物改良提供了重要靶点。

作物籽粒产量由两个因素决定：总干物质和分配给籽粒的部分（即收获指数）。这一概念源于达尔文的“生殖努力”（Reproductive effort）思想，并于 1960 年代初正式定义为籽粒产量与总生物量之比。提高收获指数一直是作物进化和育种的核心目标。大多数集约化种植的作物收获指数介于 0.4-0.6 之间，但其历史演变轨迹却明显不同。

在 1960 年代的绿色革命期间，半矮秆基因的引入使小麦和水稻的收获指数大幅提高了超过 60%，从而使籽粒产量翻倍。相比之下，另一种主要谷物玉米在现代育种过程中并未经历类似的收获指数的跃升。早在 1930 年代杂交育种开始时，玉米的收获指数已接近 0.5，此后仅略有上升。相反，过去几十年来，玉米产量的提升主要依赖于在高密度种植条件下增加生物量生产，同时保持较高的收获指数。

收获指数反映了源器官与库器官之间的协调性以及在产量形成过程中同化物分配的效率。植物依靠同化的碳（C）和氮（N）进行生长发育。碳通过源器官（叶片）的光合作用固定，产生的糖类主要以蔗糖的形式转运至库器官；无机氮化合物（NO₃⁻ 和 NH₄⁺）则由根系吸收，并在根或叶片中同化为氨基酸，随后运输至库器官。尽管碳和氮的获取部位在空间上分离，但它们的同化与利用在本质上紧密关联并高度协调。碳氮代谢之间的平衡，直接决定了光合产物的分配及氮素利用效率，从而影响籽粒产量和品质。碳氮供应的失衡，常导致生物量分配紊乱和代谢失调。因此，维持碳氮平衡对于最大化作物产量至关重要。

值得注意的是，一些参与碳氮代谢或信号转导的基因（例如 ZnF-B、NGR5、OsDREB1C、LIN5 和 RCN2），也会影响收获指数。尽管收获指数具有高度遗传性，且已在多种作物中开展了多个数量性状位点（QTL）定位研究，但至今尚未有 QTL 被分子克隆。因此，收获指数的遗传与分子基础，仍在很大程度上未知。

玉米大约在 9000 年前由其野生祖先大刍草在墨西哥西南部被驯化。在此过程中，其形态结构和花序构造发生了显著变化，从而适应了人类的栽培与收获。然而，调控同化物分配的关键生理指标——收获指数在此过程中的变化仍不明确。

在这项最新研究中，研究团队发现，与大刍草相比，玉米的收获指数提高了 81%。利用两个独立的玉米-大刍草 BC2S3 群体，研究团队定位了与收获指数相关的数量性状位点（QTL），并鉴定了 5 个始终共定位的 QTL。

进一步解析发现，其中一个主要 QTL——Harvest Index1（HI1），作为远端增强子，促进位于其下游 22 kb 处的 B 型响应调控因子 BRR1 的表达，并通过自然选择被固定下来。从分子机制上来说，转录因子 CONZ1 同时结合 HI1 增强子和 BRR1 启动子，招募乙酰转移酶 GCN5 形成染色质环结构，从而增强 BRR1 的表达。BRR1 直接激活参与碳氮代谢与转运的相关基因，促进源器官到库器官的物质分配，从而提高籽粒产量。值得注意的是，即使在氮素限制条件下，提高 BRR1 的表达也能提高收获指数和籽粒产量。