密植高产——我国玉米育种的最核心目标

严建兵 赵久然

（1. 华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室，武汉 430070；2. 北京市农林科学院玉米研究所 玉米DNA指纹及分子育种北京市重点实验室，北京 100097）

我国是人口大国，粮食安全是事关国家长治久安的重大战略问题。习近平总书记指出，中国人的饭碗任何时候都要牢牢端在自己手上。至2050年，全球人口将突破90亿，预计全球作物产量需要再提高一倍才能满足需求。在耕地资源日趋紧张、极端气候和病虫害频发的形势下，继续提升粮食产量的关键在于提升单产水平。玉米是全球重要的粮食、饲料和能源作物，对保障世界粮食安全意义重大。玉米的播种面积、总产均居我国粮食作物首位，也是单产提升潜力最大的作物。2023年中央一号文件明确指出要全力抓好粮食生产，开展吨粮田建设，实施玉米单产提升工程。

品种是玉米高产的基础，进一步提高品种耐密性和种植密度是提高玉米单产的关键。在近80年中，美国玉米单产提升了近8倍，这个过程中种植密度从平均每亩2000多株增加到近6000株，种植密度贡献显著。我国高产玉米新品种更新迭代过程中，玉米株型也逐渐从平展型演变成紧凑型，品种的耐密性明显提高，但和美国的种植密度相比，潜力仍然很大。密植增产得益于通过改良叶夹角、雄穗大小等性状，改善玉米群体冠层结构，增强群体的通风透光性、有效叶面积指数，从而获得较高的群体光合和合理的冠层光辐射分布，显著提高玉米群体光合效率和干物质积累效率。玉米密植后，群体内通风、透光降低，抗病抗逆能力降低，更易发生倒伏，个体生理和形态也会发生变化，对有限光温、水肥的竞争加剧。培育株型紧凑、水肥和光利用效率高的品种，对玉米密植增产，实现农业可持续发展意义重大。

在近代作物育种中，突破性品种的培育均与重要基因的挖掘和应用紧密相关。比如水稻，得益于矮杆基因和雄性不育基因的发现和利用，实现水稻矮化育种和杂种优势利用的两次重要技术革命，极大提高了水稻的产量。2009年玉米B73参考基因组公布后，玉米功能基因组研究进入快车道。针对耐密高产相关性状，如叶夹角、穗位高、雄穗大小、穗长、行数和籽粒大小等，国内外科学家通过正向和反向遗传学克隆了数百个基因，涉及不同的细胞学、生理生化过程和代谢途径。随着基因组学、数量遗传学、分子生物学和转基因技术的迅猛发展，在科技部、农业农村部和国家自然科学基金委的持续支持下，我国科学家在玉米高产、抗逆等功能基因克隆和调控网络解析等方面取到了突破性进展，体现出我国玉米功能基因组研究的实力和地位。但与玉米复杂的基因组相比，认识还远远不够，解析的基因和网络的数量还非常有限。

近10年来，我国在玉米基因组和功能基因组研究上，取得了长足进步，在耐密高产玉米新品种选育方面也取得显著的成绩，但与美国等发达国家和国际种业巨头相比，仍有差距。目前，我国玉米平均单产只有美国的60%左右，而且单产还在以每年约4 kg/亩的差距扩大，如何加快缩小与发达国家的差距，是我国玉米科技工作者亟需解决的重大产业课题。耐密高产玉米育种破题，赶超美国，是新形势下保障国家粮食安全的重大战略需求。我国不是玉米的起源地，种植玉米的历史相对较短，在玉米种质资源的收集、评估、利用和创新上存在明显的短板，同时育种技术更新换代快，目前国际前沿已开始进入到利用人工智能和大数据技术驱动的智能育种技术阶段，而我国仍然主要处于以杂交育种为基础加上少量分子标记辅助育种的2.5代育种阶段，未来我们要在种质资源和育种技术创新这两个关键点发力。在继续解析耐密高产性状遗传机制的基础上，着重挖掘有育种价值的优良基因和等位变异，结合DNA芯片和高通量测序技术，建立多基因高效聚合技术和基因组选择技术，发展高通量的田间表型鉴定技术。立足长远，创制遗传基础宽广、聚集更多优良基因的基础改良群体，充分利用快速发展的基因组育种技术和工具，扎实做好种质资源原始创新等基础性工作。将功能基因资源优势转化为重大种质创新的优势，把基因组研究的优势，转化为基因组育种的技术优势。上中下贯通，产学研融合，实现我国玉米密植高产品种培育的突破。

本期“玉米高产专题”邀请了国内长期从事玉米耐密高产研究和育种团队，对该领域的国内外进展进行全面探讨，包括玉米理想株型改良［1]、矮杆育种［2]、密植和抗倒育种［3-4]、产量的遗传和表观遗传机制［5]、超高产育种和生产［6-7]等方向，对我们下一步玉米高产育种有良好的借鉴价值。值此专刊出版之际，谨向所有提供稿件的同行及专家致谢，向《生物技术通报》编辑部致谢，感谢他们为我国玉米高产研究的成果交流做出的贡献。