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  玉米作为三大主粮作物之一，其产量稳定性深受干旱威胁，直接关乎国家粮食安全与农业经济。培育兼具高产与抗旱能力的玉米品种，是当前农业生产的重大需求。然而，长期以来，抗旱性改良往往以牺牲产量为代价，这一“此消彼长”的矛盾严重限制了众多抗旱基因在育种中的应用。因此，寻找能够打破这一僵局、实现“鱼与熊掌兼得”的关键基因，对保障全球粮食安全、应对气候变化具有至关重要的意义。

       2025年10月30日，我院秦峰教授团队在《自然—植物》（Nature Plants）在线发表了题为“Natural variation in ZmDapF1 enhances maize drought resilience” 的论文。该研究发现玉米叶绿体中二氨基庚二酸异构酶（ZmDapF1, Diaminopimelate epimerase 1）通过调控叶绿体氧化还原稳态与光合速率，影响玉米抗旱性的新机制，有望为玉米高产、稳产的分子设计育种提供理论支撑。

  本研究通过全基因组关联分析，在ZmDapF1基因启动子区鉴定到两个与玉米苗期抗旱性显著相关的变异位点。这些变异影响其与干旱诱导转录因子ZmMYB121的亲和力，从而调控ZmDapF1基因表达。在干旱胁迫下，ZmMYB121通过抑制ZmDapF1表达正调控玉米抗旱性。敲除ZmDapF1或过表达ZmMYB121，均能显著提升玉米苗期干旱存活率和成株期在干旱胁迫下的籽粒产量，证实ZmDapF1是玉米抗旱性的负调控因子。研究还首次揭示了ZmDapF1的新功能：该蛋白能够与叶绿体中的苹果酸脱氢酶 ZmMDH6 互作，并抑制其酶活性。ZmMDH6是维持叶绿体氧化还原稳态的关键酶，负责将草酰乙酸转化为苹果酸 (C4光合作用与代谢的关键物质)。敲除ZmDapF1可解除其对ZmMDH6的抑制，增强其酶活性，从而有效降低干旱胁迫下的活性氧积累，减轻氧化损伤。

图1 zmdapf1-KO和ZmMYB121-OE的田间干旱表型

  在连续两年的大田试验中，干旱胁迫下的zmdapf1敲除突变体和ZmMYB121过表达材料均表现出更高的光合速率和产量，并且它们在正常浇水条件下不减产，实现了“抗旱不减产” 。此外，ZmDapF1基因型溯源分析表明，优异单体型（低ZmDapF1表达量）在现代玉米自交系中的频率远低于其野生近缘种大刍草，可能在玉米驯化过程中发生丢失，这为后续玉米抗旱育种提供了宝贵资源。

图2 ZmDapF1调控玉米抗旱性的工作模型

  总之，本研究揭示了ZmDapF1通过调控叶绿体氧化还原稳态与光合速率负调控玉米抗旱性的分子机制。敲除ZmDapF1或利用其低表达量的优异等位基因，可在不牺牲产量的前提下增强作物的抗旱性，实现“鱼与熊掌兼得”。针对ZmDapF1的遗传改良将有望培育出高产抗旱兼备的玉米新品种，为应对全球气候变化、推动节水农业发展注入新动力。

  秦峰课题组练永燕博士为文章的第一作者，秦峰教授为通讯作者。博士后杨世平和田甜参与了生信数据分析部分的工作。中国农业大学杨小红教授提供了宝贵的大刍草材料。该研究获得了科技部重大项目、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金的支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-025-02141-3