玉米是我國種植面積最大、總產(chǎn)量最高的作物，在保障國家糧食安全、推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中具有不可替代的戰(zhàn)略地位。面對日益增長的糧食需求，如何有效提高單產(chǎn)已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的重大產(chǎn)業(yè)問題。莖葉夾角是決定株型緊湊程度的重要指標(biāo)之一，直接影響著冠層的通風(fēng)透光效率、光能利用效率、及最終產(chǎn)量。因此，深入解析葉夾角建成的調(diào)控機(jī)制，對于培育耐密、抗倒伏、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的玉米新品種，具有重要的理論價(jià)值與現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

近日，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)李剛教授團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院李博生研究員團(tuán)隊(duì)在《Plant Biotechnology Journal》，聯(lián)合發(fā)表了一篇題為《Mechanical strength: an unrecognised target in the genetic improvement of crops》的前沿研究。該研究從生物力學(xué)的角度，揭示了增強(qiáng)機(jī)械支撐強(qiáng)度可作為作物葉夾角遺傳改良的新靶點(diǎn)，為作物株型定向改良提供了全新思路。

1.跨物種比較揭示葉夾角形成的生物力學(xué)平衡機(jī)制

在本研究中，團(tuán)隊(duì)通過對玉米、水稻、小麥等多種植物的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)胞學(xué)比較分析，創(chuàng)新性地提出葉片角度并非由單一因素決定，而是“支撐力”與“下拉力”動態(tài)平衡的結(jié)果。其中，“下拉力”主要來源于葉片自身的重力。相較于水稻、小麥等其他禾本科物種，玉米的葉片更長、更寬和更重，因此由自重引起的下垂趨勢也更為顯著。“支撐力”則是作物對抗葉片下垂的反作用力，主要取決于三個(gè)關(guān)鍵因素，包括葉鞘包裹莖稈的緊實(shí)度、層數(shù)和高度；葉枕（葉片與葉鞘連接處）區(qū)域的木質(zhì)化程度、以及主葉脈的韌性和長度。研究發(fā)現(xiàn)，玉米之所以能在擁有碩大葉片的同時(shí)，依然保持相對較小葉夾角和直立的姿態(tài)，關(guān)鍵在于其演化出強(qiáng)大的機(jī)械支撐強(qiáng)度。與水稻、小麥相比，玉米葉鞘包裹莖稈層數(shù)多且緊實(shí)，葉枕區(qū)域沉積了更多的木質(zhì)素，并且形成了厚實(shí)的厚壁組織。這些結(jié)構(gòu)如同內(nèi)置的“鋼筋骨架”，為葉片提供了強(qiáng)大的力學(xué)支撐，有效抵抗了葉片重量帶來的下拉力，從而維持葉片的直立生長姿態(tài)。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)通過降低玉米葉鞘對莖稈的包裹層數(shù)和緊實(shí)度（nd1），打破支撐和下拉力間的動態(tài)平衡，導(dǎo)致玉米葉夾角顯著增加并引起葉片下垂，證實(shí)了以上理論的真實(shí)性（圖1）。

圖1 不同物種葉環(huán)區(qū)域形態(tài)、組織結(jié)構(gòu)與機(jī)械支撐力分析

2. 葉枕近軸側(cè)木質(zhì)素的大量沉積有效增強(qiáng)葉片機(jī)械支撐能力并促進(jìn)緊湊株型建成

自然狀態(tài)下，植物葉片的機(jī)械支撐力和下拉力處于平衡狀態(tài)。為系統(tǒng)評估這兩種力，研究團(tuán)隊(duì)首次將物理學(xué)中的“力矩”概念引入植物形態(tài)分析，基于葉片質(zhì)量分布和幾何形態(tài)的合理簡化構(gòu)建了計(jì)算公式：M = 1/2BL × BWt × g × sin(LA)。通過對147份玉米自交系的生理指標(biāo)測定和分析，發(fā)現(xiàn)力矩主要由葉長、葉重及葉夾角共同決定，并與這些參數(shù)正相關(guān)。具體而言，葉夾角越大的自交系，其力矩越大，表明維持葉片平衡所需的機(jī)械支撐力越強(qiáng)；反之，葉夾角較小的緊湊型自交系力矩較小，對機(jī)械支撐的需求也相應(yīng)減弱。

基于上述理論分析，研究進(jìn)一步探究了不同株型自交系的實(shí)際機(jī)械支撐能力。通過向葉片外部施加遞增的懸掛重物荷載，以此評估機(jī)械支撐系統(tǒng)的承載極限。結(jié)果表明，緊湊型自交系的最大支撐能力顯著高于平展型自交系，表明緊湊型品種演化出更強(qiáng)的機(jī)械支撐系統(tǒng)，以有效抵消葉片自重產(chǎn)生的下拉力。為揭示支撐能力差異的組織學(xué)基礎(chǔ)，研究對葉枕區(qū)域進(jìn)行了細(xì)胞學(xué)分析。結(jié)果顯示，緊湊型自交系（如Z58）的葉枕近軸側(cè)存在10-20層的厚壁細(xì)胞，并伴有顯著的木質(zhì)素沉積，而平展型自交系（如W22）的近軸側(cè)則完全缺乏厚壁組織，木質(zhì)素沉積僅局限于遠(yuǎn)軸側(cè)。這一組織學(xué)差異與機(jī)械支撐能力的品系間差異高度吻合，表明葉枕近軸側(cè)的木質(zhì)素沉積是增強(qiáng)葉片機(jī)械支撐能力、進(jìn)而維持較小葉夾角的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（圖2）。

圖2 力矩與葉片性狀的相關(guān)性分析及不同自交系支撐力差異的組織學(xué)基礎(chǔ)

3. 單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測序揭示葉枕近軸側(cè)木質(zhì)素沉積的特異性細(xì)胞亞群和關(guān)鍵調(diào)控因子

為從細(xì)胞層面解析不同株型自交系機(jī)械支撐能力差異的分子基礎(chǔ)，研究團(tuán)隊(duì)對Z58（緊湊型）、B73（中間型）和W22（平展型）三個(gè)玉米自交系的葉枕區(qū)域進(jìn)行了單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測序，成功構(gòu)建了包含18,427個(gè)細(xì)胞核、34個(gè)細(xì)胞簇的高分辨率葉枕區(qū)細(xì)胞圖譜。通過跨品系比較分析，發(fā)現(xiàn)HP3細(xì)胞亞群（近軸側(cè)皮下細(xì)胞）僅在Z58和B73中存在，且木質(zhì)素合成代謝通路相關(guān)基因特異性富集。這一分子層面的特征與Z58近軸側(cè)木質(zhì)素沉積的組織學(xué)觀察高度吻合，從單細(xì)胞分辨率層面揭示了緊湊型品種近軸側(cè)木質(zhì)素沉積的細(xì)胞基礎(chǔ)（圖3）。

圖3 單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組揭示三種自交系的近軸側(cè)細(xì)胞類群差異

4. 轉(zhuǎn)錄因子NST2/NST3直接調(diào)控葉枕木質(zhì)素合成并促進(jìn)緊湊株型建成

基于對三個(gè)自交系葉枕近軸側(cè)與遠(yuǎn)軸側(cè)轉(zhuǎn)錄組的比較分析，篩選出參與木質(zhì)素合成調(diào)控的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子—MYB和NAC家族成員。在平展型自交系W22中，這兩類轉(zhuǎn)錄因子家族基因在遠(yuǎn)軸側(cè)的表達(dá)量顯著高于近軸側(cè)；而在緊湊型Z58和中間型B73中，其表達(dá)水平在兩側(cè)并無顯著差異。這一表達(dá)模式與三個(gè)自交系在近軸側(cè)木質(zhì)素沉積上的差異高度吻合，提示這些轉(zhuǎn)錄因子可能參與調(diào)控近軸側(cè)特異性木質(zhì)素合成。為進(jìn)一步驗(yàn)證候選基因的功能，研究選取NAC轉(zhuǎn)錄因子家族中的NST2和NST3進(jìn)行深入分析。RNA原位雜交結(jié)果顯示，NST2和NST3的轉(zhuǎn)錄本主要定位于維管束鞘、厚壁組織及葉枕近軸側(cè)皮下細(xì)胞，其空間分布與木質(zhì)素沉積位點(diǎn)高度一致。功能驗(yàn)證表明，相較于野生型，nst2和nst3突變體的葉夾角增大，葉枕近軸側(cè)木質(zhì)素沉積完全缺失，葉片最大支撐力顯著下降。綜合上述結(jié)果，NST2和NST3通過特異性調(diào)控葉枕近軸側(cè)木質(zhì)素生物合成，正向調(diào)節(jié)葉片的機(jī)械支撐能力，從而減小葉夾角（圖4）。

圖4 葉枕近軸側(cè)木質(zhì)素沉積影響機(jī)械強(qiáng)度和葉夾角模式圖

綜上，本研究創(chuàng)新性的將機(jī)械支撐強(qiáng)度作為影響作物株型及葉夾角的重要遺傳改良靶點(diǎn)，將葉夾角的調(diào)控機(jī)制從傳統(tǒng)的發(fā)育調(diào)控框架拓展至“生物力學(xué)平衡”視角，并系統(tǒng)解析了其細(xì)胞與分子基礎(chǔ)。這一發(fā)現(xiàn)為未來通過分子育種精準(zhǔn)調(diào)控葉枕木質(zhì)素沉積、優(yōu)化葉片架構(gòu)、提高作物耐密植性和抗倒伏能力提供了理論依據(jù)和實(shí)踐路徑。

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)李剛教授、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院李博生研究員為本論文的共同通訊作者。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)史慶彪副教授、王啟斌博士后和王國棟博士為論文共同第一作者。崖州灣國家實(shí)驗(yàn)室王海洋教授、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)茍明月教授和山東農(nóng)業(yè)大學(xué)李平華教授對該研究提供了重要幫助。本研究得到了國家自然科學(xué)基金和山東省自然科學(xué)基金的資助。

編      輯：萬    千 

審      核：賈    波