基于Micro-CT的玉米茎秆维管束微观特征与产量组分关联分析及候选基因鉴定

编辑推荐：本研究针对玉米茎秆不同节间维管束微观特征与产量关系不明的问题，通过Micro-CT技术对268个玉米自交系基第三茎节(BTI)、穗位茎节(EI)和顶端茎节(HI)进行多尺度表型分析，发现穗位茎节维管束数量(PZ_VB_N)和内部区发育程度与穗行粒数显著正相关，GWAS鉴定出17个候选基因(如糖基转移酶基因Zm00001d042490)，为高产优质玉米品种选育提供了理论依据和遗传资源。

　　

玉米作为全球最重要的粮食作物之一，其产量提升一直是农业科学研究的核心课题。茎秆作为连接"源-库"的关键通道，其维管束系统的效率直接影响光合产物的运输和分配效率。然而，传统研究多聚焦于单一茎节解剖结构，缺乏对植株不同节间（基第三茎节、穗位茎节和顶端茎节）维管束系统的系统性比较，更鲜见其与产量形成的分子机制研究。北京农业信息技术研究中心的赵春江团队联合多家单位，创新性地采用Micro-CT技术结合深度学习表型分析，首次在群体水平揭示了不同茎节维管束特征与产量组分的关联规律，相关成果发表于《Scientific Reports》。

研究团队采用Micro-CT扫描技术对268个玉米自交系（来自华中农业大学严建兵教授构建的关联群体）的三个茎节进行三维成像，通过自主研发的VesselParser软件自动提取20个维管束表型参数。利用最佳线性无偏预测(BLUP)模型校正环境变异，采用GEMMA软件进行全基因组关联分析(GWAS)，以Bonferroni校正显著性阈值(P=6.28×10^-8)筛选显著关联位点，通过ANNOVAR进行基因注释。

"不同茎节微观性状变化"部分显示：随着茎节位置升高，茎横截面积(SZ_A)、维管束总面积(VB_A)和数量(VB_N)呈递减趋势(BTI>EI>HI)，但单位面积维管束密度(VB_D)和面积比(VB_AreaRatio)递增。变异系数分析表明BTI的截面性状和EI的维管束性状最稳定，HI表型变异最大(20.72%)。

"聚类分析"将268个自交系分为4组：第2组（含Qi205等材料）在穗位茎节具有更多维管束和发达内部区(IZ_A)，其穗行粒数(ER_KN)显著高于其他组(p<0.05)，且与穗粒重(ER_GW)呈正相关。相关性分析揭示EI的IZ_A、IZ_T与ER_KN显著正相关(r>0.3)，而内部区维管束密度(IZ_VB_D)呈负相关。

"GWAS分析"鉴定出17个显著关联位点：BTI中发现15个基因，包括编码玉米黄质环氧化酶(Zm00001d003512)和异亮氨酸-tRNA连接酶(Zm00001d035089)的基因；EI中定位到1个未注释基因(Zm00001d031075)；HI中发现关键基因Zm00001d042490，该基因编码糖基转移酶(GT)，可能通过调控次级代谢物糖基化影响维管束发育和籽粒性状。

讨论部分深入阐释了发现的意义：基第三茎节作为机械支撑主体，其稳定的大截面特性为抗倒伏提供保障；穗位茎节维管束系统的高效运输能力直接影响"库"器官发育，低密度大维管束结构可最大化物质运输效率。特别值得注意的是Zm00001d042490，其同源基因在水稻中已被证实可通过细胞分裂素糖基化调控茎秆发育和穗型建成，这为分子设计育种提供了新靶点。研究建立的"茎节定位-表型组-基因组"多维分析框架，为作物株型改良提供了方法论创新。

该研究首次系统解析了玉米不同茎节维管束系统的异质性及其与产量形成的关联规律，不仅完善了"源-流-库"理论在三维空间的认知，更为精准育种提供了可量化的表型指标和分子标记。未来通过整合多组学数据验证候选基因功能，有望实现茎秆结构与产量性状的协同改良，对保障粮食安全具有重要意义。