近日，北京科技大学万向元团队围绕玉米绿色高效育种连续取得两项重要研究进展，发表在国际知名期刊Plant Communications和Science Bulletin上，从分子机理解析到品种效益评估，进一步勾勒出玉米育种“高产、耐逆、理想株型、资源节约”协同提升的新路径。一方面，团队揭示了 ZmMIR319A-ZmTCP5/44 模块如何在调控玉米叶夹角的同时影响耐热性，为解析玉米株型优化与逆境适应之间的平衡关系提供了新线索和基因资源；另一方面，团队系统梳理并量化了绿色高效（G&E）玉米品种在增产与氮素利用可持续性方面的现实潜力，展示了G&E育种方向在全球粮食安全与绿色农业转型中的广阔前景。

【一】Plant Communications | 揭示ZmMIR319A-ZmTCP5/44协同调控玉米叶夹角与耐热性的分子机制

玉米是全球第一大粮食、饲料和能源等兼用型作物，提高玉米种植密度是提升单位面积产量的重要途径。理想株型，尤其是较小的叶夹角（leaf angle, LA），可以减少群体内叶片相互遮阴，提高光能利用效率和耐密植能力。与此同时，全球气候变暖导致高温事件频发，作物在提高产量潜力的同时还需要具备较强的环境适应能力。因此，如何在分子水平上实现株型优化与高温适应的协调调控，是玉米高产抗逆育种亟待解决的重要科学问题。

2026年9月8日，北京科技大学、北京中智生物农业国际研究院万向元团队在Plant Communications (IF: 13.7)在线发表题为“The ZmMIR319A-ZmTCP5/44 module bifurcates into two pathways to coordinately regulate leaf angle and thermotolerance in maize”的研究论文。该研究发现ZmMIR319A通过靶向调控转录因子ZmTCP5/44，形成两条下游调控通路：一方面通过ZmPIN1/8介导的生长素运输通路调控玉米叶夹角，另一方面通过ZmHSP70-4和ZmHSP90-5热激蛋白通路调控玉米耐热性。同时，ZmMIR319A缺失可形成更加紧凑的株型并提高高密度种植条件下的籽粒产量，但耐热性降低，揭示了玉米株型优化与逆境适应之间存在“生长—胁迫”的权衡关系。

玉米基因组中含有4个ZmMIR319家族成员。研究团队利用CRISPR/Cas9技术创制ZmMIR319A敲除材料，并获得相应的过表达材料。与野生型相比，ZmMIR319A-KO植株叶夹角显著减小，而ZmMIR319A-OE植株叶夹角明显增大。组织学分析显示，ZmMIR319A缺失导致叶枕区（ligular region，LR）厚度和薄壁细胞数量减少，而过表达产生相反的变化，表明 ZmMIR319A主要通过促进叶枕区薄壁细胞增殖调控叶夹角。进一步分析发现，ZmMIR319C和D与ZmMIR319A存在部分功能冗余，其中 ZmMIR319A/C/D三突变体表现出近乎直立的叶片表型（图1）。

图1. ZmMIR319A正调控玉米叶夹角，并与ZmMIR319C和D存在部分功能冗余

研究团队分别在45,000、90,000和135,000株/公顷三个种植密度下测试产量显示，在低密度条件下，ZmMIR319A-KO材料部分产量性状值显著低于野生型；而在高密度条件下，其紧凑株型优势逐渐显现。特别是在135,000株/公顷条件下，ZmMIR319A-KO植株表现出更优的果穗和籽粒性状值，籽粒数、百粒重以及单株和单位面积籽粒产量均显著提高，表明ZmMIR319A功能缺失有利于玉米适应高密度种植并获得产量优势。

为解析ZmMIR319A调控叶夹角的分子机制，研究团队分析发现，ZmTCP2、5和44是其靶基因，ZmMIR319A对其进行转录后抑制。遗传分析表明，ZmTCP5/44-KO植株叶夹角增大，而ZmTCP5/44-OE植株叶夹角减小，与ZmMIR319A的遗传表型方向相反。

进一步分析发现，ZmTCP5和ZmTCP44可直接结合生长素转运基因ZmPIN1和8的启动子并抑制其表达。ZmPIN8敲除导致叶夹角减小，而过表达则使叶夹角增大，表明ZmMIR319A通过抑制ZmTCP5/44，解除其对ZmPIN1/8的转录抑制，进而调控生长素运输和叶枕区细胞增殖，形成ZmMIR319A–ZmTCP5/44–ZmPIN1/8通路控制玉米叶夹角（图3）。

图2. ZmMIR319A与其靶基因ZmTCP5/44对玉米耐热性发挥相反调控作用

研究团队还发现ZmMIR319A–ZmTCP5/44参与玉米高温响应。高温处理，ZmMIR319A水平快速下降，而ZmTCP5和44表达升高。45℃高温处理，ZmMIR319A-KO植株对高温更加敏感，而ZmMIR319A-OE植株耐热性增强；相反，ZmTCP5/44-OE植株降低耐热性，而敲除则增强耐热性。同时，ZmMIR319A-KO和ZmTCP5/44-OE植株在高温处理后积累更多活性氧，抗氧化酶活性降低；相反，ZmMIR319A-OE和ZmTCP5/44-KO植株活性氧积累较少，抗氧化酶活性较高，耐热材料表现出更强的抗氧化能力，表明ZmMIR319A与ZmTCP5/44对玉米耐热性发挥相反的调控作用（图2）。

解析ZmTCP5/44调控耐热性的分子机制发现，多个 ZmHSP70和ZmHSP90家族基因启动子中含有TCP结合元件。实验表明，ZmTCP5和44可直接结合并抑制ZmHSP70-4和ZmHSP90-5表达。ZmHSP70-4和 ZmHSP90-5过表达材料在高温胁迫下均表现出更强的耐热性和更低的ROS积累，证明ZmHSP70-4和ZmHSP90-5是玉米耐热性的正调控因子。

据此提出ZmMIR319A-ZmTCP5/44模块协同调控玉米叶夹角与耐热性的工作模型：在正常条件下，较高水平的ZmMIR319A抑制 ZmTCP5/44，从而解除其对ZmPIN1/8的抑制，促进生长素运输和叶枕区细胞增殖，使叶夹角增大；在高温胁迫下，ZmMIR319A快速下调，ZmTCP5/44随之积累，并分流至两条下游通路：1）在叶枕区抑制ZmPIN1/8、限制叶夹角扩张，2）在叶片组织中抑制ZmHSP70-4和ZmHSP90-5，调控高温响应（图3）。因此，ZmMIR319A-ZmTCP5/44模块将玉米株型建成与耐热性联系起来，实现生长与逆境适应的协调调控。

图3. ZmMIR319A-ZmTCP5/44模块协同调控玉米叶夹角与耐热性的工作模型

该研究揭示了ZmMIR319A-ZmTCP5/44模块通过生长素运输和热激蛋白两条通路协同调控玉米叶夹角与耐热性的分子机制，阐明了耐密株型与耐热性之间的权衡关系，为解析作物生长发育与环境适应的协同调控机制提供了新认识，也为培育兼具耐密、高产和耐热特性的玉米新品种提供了新的基因资源和理论依据。相关研究成果已授权3项国家发明专利：ZL 202511256768.X、ZL 202511311190.3和ZL 202610847390.9。

作者信息：

北京科技大学现代农学院博士生王婧、谢钰容教授、安学丽教授为该论文共同第一作者，万向元教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划项目等资助。

原文及链接：

Jing Wang#, Yurong Xie#, Xueli An#, Yingyue Wen, Yilin Jiang, Ziwei Chu, Liping Su, Panqi Qiu, Zejian Li, Xu Tang, Yan Long, Yingwei Qu, Shuangshuang Liu, Dexin Kong, Yong Zhang, Xiangyuan Wan*. The ZmMIR319A-ZmTCP5/44 module bifurcates into two pathways to coordinately regulate leaf angle and thermotolerance in maize. Plant Communications, 2026, DOI: https://doi.org/10.1016/j.xplc.2026.102095  

【二】Science Bulletin | 绿色高效玉米品种协同提升全球玉米产量与氮素利用可持续性

全球玉米产量在过去60年中增长近6倍，但玉米田活性氮损失也同步增加近6倍，同时，气候变化不断放大粮食安全压力。如何在继续提高作物产量的同时降低资源投入和环境代价，成为作物育种、农业绿色发展和全球食物系统转型共同面对的关键问题。

2026年8月30日，北京科技大学、北京中智生物农业国际研究院万向元&魏珣团队联合中国农业大学、浙江大学、瓦赫宁根大学、国际玉米小麦改良中心等单位在Science Bulletin（IF: 20.7）在线发表题为“Green and efficient maize varieties synergize global yield and nitrogen sustainability” 研究论文，提出“绿色高效（green and efficient, G&E）玉米品种”概念，系统整合玉米G&E相关性状的遗传位点、已报道G&E品种、田间试验效应量和全球空间数据，定量评估G&E玉米品种在增产与氮素利用可持续方面的现实效益和未来潜力。

1. 研究背景：从单一性状改良走向多性状协同，是玉米育种的核心挑战

传统育种和现代生物技术显著推动了玉米产量提升，在抗虫、抗除草剂、抗旱、耐热、氮高效和适宜密植株型等方向形成了丰富成果。然而，由于不同性状具有不同遗传基础，并且常常存在不利遗传累赘和资源分配平衡，单一性状突破并未必能转化为产量、资源效率和环境效益的协同提升。本研究将绿色高效玉米品种界定为：相对于当地适应性常规对照品种，在可比管理条件下同时提高籽粒产量，并降低至少一类环境投入或活性氮损失（图1a）。据此，研究团队梳理出玉米48个绿色高效相关性状，并将其归入生物胁迫抗性、非生物胁迫耐受性、理想株型和养分高效利用四大类、17个亚类（图1b）。

图1：可持续农食系统框架下的绿色高效玉米品种及其性状

2. 成果亮点

（1）构建绿色高效玉米性状遗传图谱，锁定98个潜在多性状改良热点区间

该研究将已报道的玉米 meta-QTL 和 QTN 簇统一定位到 B73 参考基因组（v5），总结了绿色高效性状相关的27,516个QTN和3,272个QTL，形成691个QTN簇和386个QTL簇（图2）。在四大性状之间，识别到293个共有基因组区域。进一步整合524个已报道相关基因后，发现其中227个基因位于98个共有簇中，这些区域为后续精细定位、功能解析和基因编辑提供了优先靶标。通过把产量、抗病虫、耐逆、氮素效率和株型等目标性状遗传位点放进同一张遗传图谱，为育种者系统寻找可协同利用的遗传变异以及识别需要通过精准遗传工程破解的遗传拮抗位点提供重要信息。

图2：玉米绿色高效性状的遗传基础

（2）539个全球G&E品种分析显示：绿色高效品种潜力巨大，但转化链条仍有断点

该研究共整理出全球539个携带一种或多种绿色高效相关性状的玉米品种，其中杂交育种和转基因是当前主要技术来源（图3a-d）。现有G&E品种主要集中在抗虫和抗除草剂等由少数基因控制、技术路径相对清晰的性状上；而氮高效、耐冷、耐盐等复杂性状明显不足；尚未发现能够协同改良三种及以上绿色高效性状的品种。此外，从品种创制到商业化应用也存在明显落差。已报道G&E品种中多数尚未进入商业化生产，尤其是在撒哈拉以南非洲、南亚和东南亚部分地区，绿色高效品种的需求最强，但部署应用最少。

基于96项研究、1709个田间观测值的Meta分析发现，携带绿色高效相关性状的玉米品种总体增产10.1%；经过剪补法校正后，增产幅度为12.7%（图3e-h）。不同地区、技术路径和性状类型之间存在差异，其中抗虫与抗旱复合性状表现出较高增产效应。在氮素表现方面，相关品种的氮利用效率（NUE）总体提升4%；其中，氮素转化利用效率（NUtE）提高16.7%，但氮素吸收效率（NUpE）下降13%，体现了地上部分产量形成的改善与根系构型的改良、氮吸收和碳氮分配的不对称。

图3：已有539个携带绿色高效性状玉米品种表现

（3）全球推广理想绿色高效品种，可同时增加产量并减少活性氮损失

该研究进一步基于561,359个土壤和气候网格观测结果，利用随机森林模型预测理想绿色高效玉米品种的全球效益。结果显示，在完全采用的情景下，理想绿色高效品种可使全球玉米产量提高18.1%，相当于每年增加145.78 Tg玉米产量（图4a）；同时减少26.6%的活性氮损失，相当于每年减少1.49 Tg活性氮损失（图4b）。这一结果仅代表其生物学潜力的上限，真正释放效益仍取决于研究、育种、监管、种业、农艺管理和农户采用之间能否形成有效衔接。

图4：绿色高效玉米新品种全球采纳效益预测

3. 研究意义

这项研究的意义在于，把“绿色高效玉米育种”从方向性概念推进为可定义、可量化、可预测的研究框架。它不仅回答了现有绿色高效相关品种已经能带来多少增产和氮素效益，也指出了下一阶段玉米育种需要优先突破的遗传热点、复杂性状短板和产业转化断点。

该研究团队认为，未来绿色高效玉米育种需要结合人工智能和生物技术协同推进。一方面，通过精细定位、基因编辑、合成生物学、多组学和多环境表型数据解析98个热点区域中的功能基因与遗传机制；另一方面，通过机器学习整合基因型、表型和环境数据，设计更优等位基因组合，并在多点多年试验和目标生态区模拟中加快候选品种筛选。

对于全球农业绿色转型而言，绿色高效玉米品种不是单纯追求更高产量的技术路径，而是连接粮食安全、面源污染治理、气候适应和小农户收益改善的综合抓手。要实现其全部潜力，还需要科研人员、育种企业、监管机构、推广体系和农户共同参与，使多性状遗传改良真正进入高需求地区和实际生产场景。

作者信息：

北京科技大学魏珣教授和中国农业大学尹宇龙教授为本文共同第一作者；北京科技大学万向元教授、魏珣教授和浙江大学谷保静教授为共同通讯作者。研究工作得到国家重点研发计划和北京市科技新星计划等项目的支持。

文章及链接：

Xun Wei#*, Yulong Yin#, Xueqin Zhu, Ziwen Li, Zhenying Dong, Yan Long, Yanbo Wang, Jiuran Zhao, Changling Huang, Xingming Fan, Huabang Chen, Pervez H. Zaidi, Zhenling Cui, Justus Wesseler, Baojing Gu*, Xiangyuan Wan*. Green and efficient maize varieties synergize global yield and nitrogen sustainability. Science Bulletin, 2026, DOI: https://doi.org/10.1016/j.scib.2026.08.082