Nature Genetics | 我國科學家破譯甜玉米“風味密碼”

2025年11月7日，廣東省農業科學院、華中農業大學、崖州灣國家實驗室等多家研究機構聯合在Nature Genetics在線發表題為Genetic basis of flavor complexity in sweet corn的研究論文，系統揭示了甜玉米風味形成的遺傳基礎。該研究不僅打破了“甜即好吃”的傳統育種觀念，更提出了“風味設計”育種新方向，為培育既高產又美味的甜玉米品種、實現甜玉米產業高品質高效益升級提供了科學依據和技術路徑。

從“甜”到“味”的產業需求轉變

甜玉米作為全球廣泛種植的重要經濟作物，不僅是一種營養豐富的食物來源，也是食品工業的重要原料。隨著消費者對農產品品質需求的提升，甜玉米的風味已不再局限于“甜”這一簡單維度，而是包括甜度、口感、香氣、質地等多個感官體驗的綜合體現。傳統育種方法主要依賴表型選擇和經驗判斷，尚未系統解析和利用風味的遺傳基礎，這無疑限制了優質品種的選育效率。因此，構建基于遺傳信息的風味資源和知識體系，成為甜玉米遺傳改良乃至食品科學交叉領域的重要研究方向。

多組學揭示甜玉米演化歷史及其獨特風味的遺傳密碼

研究團隊通過對295份甜玉米種質資源利用多組學分析，系統解析了甜玉米風味的遺傳基礎。研究表明，超甜玉米起源于基因Sh2的轉座子引發的倒位，而普甜玉米源于基因Su1的自發點突變。除了這兩個顯著位點，甜玉米與普通大田玉米之間在全基因組水平還存在顯著的遺傳分化。甜玉米在進化過程中經歷了強烈的正向選擇，特別是在碳水化合物代謝、光響應和激素信號通路相關基因上。這為理解甜玉米獨特風味的遺傳基礎提供了關鍵線索。

圖1. 甜玉米與普通大田玉米群體之間的遺傳差異。

發現甜玉米風味形成的關鍵新基因

進一步分析表明，甜玉米風味是一個由甜度、果皮厚度、脆度和香氣等多個維度共同構成的復雜性狀。令人驚訝的是，提高風味評分未必需要增加糖分——降低果皮厚度、改善口感，同樣能顯著提升風味體驗。這一發現挑戰了傳統觀念，為后續品質改良提供了新視角和方向。在上述多組學大數據基礎上，研究團隊鑒定出三個全新的風味調控基因：ZmAPS1調控腺苷代謝，影響風味物質的前體合成；ZmSK1影響奎寧酸合成，與甜玉米香氣密切相關；ZmCRR5調節果糖積累，在甜度與產量之間起到關鍵平衡作用。進一步研究證實，這些基因在不同代謝通路中發揮著調控作用：它們如同風味形成過程三位精準的“指揮家”，共同調控著甜玉米的食用品質。

圖2. 基因ZmCRR5可用于平衡果糖含量和產量

提出“風味精準設計”育種新思路

該研究創新性地整合了基因組（DNA信息）、轉錄組（基因表達信息）和代謝組（小分子化合物信息）數據，構建了甜玉米風味的精準預測模型。分析顯示，基于全基因組單核苷酸多態性（SNP）數據，可解釋42.0%至73.7%的風味評分差異。研究人員進一步鑒定出4711個與風味顯著相關的基因以及139種關鍵風味代謝物。其中，蔗糖、降冰片醇、庚酸等物質與風味呈正相關；而麥芽糖、木糖、尿囊素等則與風味呈負相關。這些發現為風味改良提供了寶貴的基因資源和代謝物標記，有助于玉米育種由經驗性選擇向精準設計轉變。

該研究的另一個核心突破在于揭示了風味與產量之間的內在權衡機制，并提出了“風味設計”育種新思路。通過多組學分析，團隊鑒定到一批能同時調控產量和風味形成的關鍵基因與代謝物。例如，在自然群體中，基因ZmCRR5存在多種變異類型（等位基因型），其中一種相對低頻（約13%）的等位型具有既高產又風味佳的特性。這類有利等位基因的挖掘為培育新品種提供了直接靶點。

圖3. 甜玉米風味的多組學調控基礎及精準預測。

這項研究為作物育種從“產量導向”向“品質與產量并重”轉型提供了一個重要范例。其首次系統揭示了甜玉米風味與產量間的遺傳互作機制，特別是找到了能提升風味同時維持甚至提高產量的候選基因，為實現“風味與產量協同提升”目標提供了科學依據。此外，構建的風味預測模型可基于基因組信息預測風味表現，為分子育種（如基因編輯和分子標記輔助選擇）奠定了技術基礎，有望顯著提升育種效率和精準度。

未來，研究團隊計劃將基因編輯與分子標記輔助選擇技術相結合，加速選育高產優質甜玉米新品種。該研究不僅為甜玉米產業升級提供了科技支撐，其多組學整合的研究框架和技術路徑，也為其他果蔬作物的風味改良提供了重要借鑒。

本研究由廣東省農業科學院、華中農業大學、崖州灣國家實驗室等多家研究機構聯合完成。華中農業大學玉米團隊畢業博士研究生李坤（現廣東省農業科學院作物研究所副研究員）、廣東省農業科學院作物研究所于永濤研究員、農業生物基因研究中心晏石娟研究員、華中農業大學李文強副教授為該研究的共同第一作者。華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室及湖北洪山實驗室嚴建兵教授、廣東省農業科學院作物研究所胡建廣研究員、崖州灣國家實驗室劉海軍研究員為論文的共同通訊作者。廣東省農業科學院作物研究所李高科研究員、未米生物科技有限公司許潔婷博士、德國馬克斯-普朗克分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授等對研究工作提供了重要支持。該研究得到了國家自然科學基金委聯合基金及創新研究群體、國家重點研發計劃、國家玉米產業體系、廣東省重點研發計劃、廣東省鄉村振興戰略專項等項目的支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41588-025-02401-0