2025年11月，《2025中国农业科学重大进展》报告发布，其中“发掘玉米密植的智慧株型基因”入选十大前沿成果。该研究由中国农业大学田丰、李继刚团队完成，于2024年6月发表于《自然》杂志。团队鉴定出lac1基因，破解了玉米“上紧下松”株型的分子密码，并建立了“一步成系”快速育种技术，打通了从基因发现到品种培育的转化壁垒，为我国粮食安全筑牢科技根基。这是该团队继2019年发现“紧凑株型”基因（发表于《科学》杂志，入选《2020中国农业科学重大进展》）之后取得的又一重大突破。

一个天然突变，如何让玉米学会“上紧下松”？

玉米是全球第一大粮食作物，长期以来，提高种植密度一直是增加玉米单产水平的关键途径。然而，我国玉米平均种植密度仅为4500株/亩，远低于美国的6500株/亩，这一差距背后折射出的是技术瓶颈——如何让玉米在高密度种植条件下依然保持高产？

密植带来的最大挑战是植株间叶片相互遮挡引发的避荫反应，导致群体产量不增反降。传统育种思路认为，紧凑株型能够减弱避荫反应，但这种“一刀切”的紧凑并非最优解。在密植群体中，上部叶片接受充足光照而“光饱和”，中下部叶片却因遮挡而“光饥饿”，不同冠层的叶片其实需要差异化的空间姿态来最大化光能捕获效率。尤其对于玉米而言，其果穗生长于植株中下部，被称为“棒三叶”的叶片对籽粒产量贡献极大。因此，理想的耐密高产株型并非简单的全株叶片紧凑，而是“上紧下松”——上部叶片紧凑，减少对下层的遮挡；中下部叶片相对舒展，高效捕获透射光。这种能优化密植群体光温分布的冠层结构，被称之为“智慧冠层”，但长期以来，控制这种“智慧株型”的关键基因一直未被发现。

漫画由AI生成（AI绘制仅供参考）

研究的突破口来自一个天然突变体材料。团队敏锐地发现一株玉米表现出明显的“上紧下松”特征，恰好符合“智慧株型”的理想模型。通过遗传定位，研究人员将控制该性状的基因锁定为lac1。该基因编码油菜素内酯合成途径中的一个关键酶，一个273bp转座子的插入导致了这一性状的产生。

令人振奋的是，lac1基因不仅塑造了理想的株型结构，还赋予了植株更好的生理适应性。连续多年多地试验证明，携带lac1突变的材料在高密度下，能显著提高群体中下部冠层的透光率和穗位叶的光合速率，最终实现群体增产。这种“形态优化”与“生理适应”的双重优势，正是智慧株型的核心价值所在。

lac1赋予玉米“智慧株型”并促进密植增产 

研究进一步揭示了lac1响应光信号、动态调控株型以适应密植的分子机制。在密植遮荫环境下，光信号通过光敏色素phyA和转录因子RAVL1的互作来调控lac1表达，使叶夹角随密度增加而减小。而在lac1突变体中，这一光信号通路被阻断，使得植株既能保持“上紧下松”的基础架构，又避免了过度的避荫反应，从而在密植条件下表现出更高的产量潜力。

“一步成系”：改写育种“时间表”

优良基因的发现，如何快速转化为农民田里的品种？这是育种应用的重要挑战团队突破单倍体诱导系遗传转化瓶颈，将单倍体诱导技术（快速获得纯合系）与CRISPR 基因编辑技术（精准修饰目标基因）进行集成，建立了“一步成系”高效育种体系。利用这一技术，团队成功对20个自交系进行了lac1基因的定向修饰，单倍体纯合编辑效率达到6.8%，所获得的双单倍体编辑系均表现出“智慧株型”特征。用其改良的玉米商业杂交种在田间试验中，展现出显著的密植增产效果。

利用lac1和“一步成系”技术定向改良玉米商业杂交种奥科903

这一技术体系的建立改变了传统育种的“游戏规则”。以往利用分子标记辅助选择技术进行一个性状的定向改良，需要多代回交自交，往往耗时长达3-4年。而“一步成系”技术仅需一次杂交操作，在8–10个月内即可获得性状稳定、背景纯净的改良自交系，育种周期大幅缩短，效率显著提升。该技术不仅适用于株型改良，也为其他重要农艺性状的快速精准修饰、多性状协同改良乃至野生种的快速驯化提供了强大工具，标志着从基础研究到育种应用的完整闭环已经形成。

“一步成系”单倍体诱导编辑技术

从一个基因到“一场理念革新”

在我国耕地资源约束日益趋紧的背景下，依靠科技提升单产水平是保障粮食安全的根本出路。lac1基因带来的耐密增产潜力，相当于在有限耕地上实现了“隐性扩容”。

这项研究更深层的意义在于作物株型育种理念的革新：理想的作物株型不应是简单的“紧凑”或“披散”，而应能根据群体内光温环境的差异，进行分层、动态的自我优化，使上下层叶片从资源竞争转向协同利用，实现“因地制宜”的智慧配置。这种从“一致性”到“差异化”、从“静态结构”到“动态适应”的育种理念转变，有望开启作物高产育种的新范式。

展望未来，作物育种正迈入“智慧设计”的新时代。lac1基因的研究表明，未来育种将更加依赖于对基因组信息的精准解读与调控。随着人工智能、大数据与育种技术的深度融合，实现株型、产量、抗性等多性状协同优化的“定制型”作物将成为可能，从而构建起面向未来的高产育种技术体系。

农业科技的转化应用仍需跨越“最后一公里”。从实验室的基因编辑系到田间的主推品种，还需要跨越多点试验、品种审定等转化壁垒，需要科研机构、种子企业、农业推广部门的紧密协作。

当前，我国正在实施新一轮千亿斤粮食产能提升行动，科技创新是实现这一目标的关键支撑。随着更多此类重大成果的涌现和转化，我们有理由相信，中国人的饭碗将端得更稳、更牢。

科学性审核：田丰 中国农业大学教授

鸣谢：中国植物学会