玉米作为全球主要粮食作物，在保障粮食安全中扮演着关键角色。然而，与小麦和水稻不同，玉米在绿色革命中并未经历类似的株型改良。随着高密度种植的推广，传统高秆玉米品种面临倒伏风险增加、养分竞争激烈等问题，严重制约产量提升。此外，现代杂交育种技术带来的产量增长已逐渐进入平台期，亟需通过株型改良实现突破。在此背景下，中国科学家团队在《Molecular Plant》发表研究，系统阐述了通过育种和种植半矮秆玉米实现可持续绿色革命的创新策略。
研究人员采用多组学分析、基因编辑（CRISPR-Cas9）、等位基因挖掘和田间表型评估等技术手段，重点利用中国玉米种质资源库和人工诱变群体。通过整合转录组学、蛋白结构预测（AlphaFold）和深度学习模型，对关键靶点进行精准设计。
分子机制解析
研究系统梳理了玉米株高调控网络，发现GA和BR信号通路是核心调控节点。ZmGA20ox3/ZmGA20ox5的茎秆特异性抑制（RTBV启动子驱动）可实现30%株高降低且不减产。DELLA蛋白（d8/d9）的截短突变体（如d8-mpl）通过稳定蛋白积累产生半矮化表型。值得注意的是，ZmSPL12过表达能同时降低株高和穗位高，并增加茎秆木质素含量。
株型优化策略
通过引入teosinte（玉米野生近缘种）来源的UPA2等位基因或敲除ZmRAVL1，可缩小叶片夹角（降低15-20°），形成"智能冠层"结构。lac1突变体通过调控BR合成酶ZmCYP90D1，使上部叶片直立、中部适度展开，显著提高光能利用率。根系改良方面，ZmCIPK15突变体通过增强向地性形成陡峭根系，提升氮磷捕获效率。
氮高效协同改良
针对传统矮化品种氮利用缺陷，研究提出多基因叠加策略：ZmNRT1.1B（His362单倍型）增强硝酸盐转运；THP9-T（teosinte等位基因）提升籽粒蛋白含量37.8%；Gln1-3过表达使籽粒产量增加30%。水稻OsDREB1C和小麦r-e-z单倍型的成功案例证实，通过解除DELLA对GRF4-NGR5模块的抑制，可实现矮化与氮高效的协同改良。
技术创新应用
研究团队开发了单碱基编辑器ZmAYBEv3（靶向ZmGA20ox3）和单倍体诱导介导的基因组编辑（HI-IMGE）系统，将br2等位基因（如A1402D）的育种周期从6-8代缩短至2代。AI驱动的闭环育种系统通过分析4,000+转录因子结合位点，预测出ZmGA2ox2启动子为最佳调控靶点。
该研究建立了半矮秆玉米设计的理论框架和技术体系，首次实现株高（220-250 cm）、抗倒性（茎粗增加20%）、氮效率（NUE提升30%）的协同优化。相比传统品种，新种质在8万株/公顷密度下单产提高15%，减少氮肥用量30-50%。这一突破不仅填补了玉米绿色革命的技术空白，更为应对气候变化下的粮食安全挑战提供了"低投入-高产出"的可持续方案。未来，通过整合抗旱基因和智能冠层设计，半矮秆玉米有望在雨养农业区推广，重塑全球玉米生产格局。
