近日，北京大學現代農業研究院教授焦雨鈴團隊等建立了一個具有普適性的花序發育數學模型，用以解釋小麥、玉米、水稻及大麥等作物的穗部發育過程。相關成果發表在在《自然-植物》。
花序結構決定了植物的花和種子數目，在作物中則直接影響穗粒數，是影響產量的核心要素。禾本科包含小麥、玉米、水稻等主要糧食作物，也是最大的植物科之一。該科植物的花序結構變異異常復雜，傳統的模型難以解釋其形態多樣性。
研究團隊將計算建模與發育生物學深度融合，基于對小麥和水稻早期花序發育的精細比較分析，構建了一個基于林登邁耶系統的“形態動力學”模型。該模型引入了兩個關鍵發育調控因子：一個控制分生組織命運的“命運（F）”變量，另一個則控制側生分生組織起始時機與能力的“形態發生潛能”窗口及其持續時間。該模型不僅定義了花序將“長出什么”，還整合了“何時能長”以及“能長幾個”的動態參數。
團隊將模型應用于小麥穗型變異分析后，成功解釋了三種主要的小麥穗型變異。特別值得注意的是，模型預測具有增產潛力的“復小穗”變異可通過兩條獨立路徑形成：一是延長發育窗口，但會導致抽穗延遲，二是加速發育進程，可實現早抽穗且不推遲成熟。后者因其能在不影響農時的前提下實現增產，非常適應我國主要麥區小麥-玉米/大豆輪作的耕作制度。
依據這一關鍵預測，研究團隊成功從一個小麥突變體庫中鑒定出符合第二條路徑的早熟復小穗突變體duo2。該基因突變展現出可觀的應用潛力。在連續多年的多點田間試驗中，duo2 突變體在不同種植密度下均表現出顯著的增產效果。在我國主要麥區常用的高密度種植條件下，duo2 突變體在田間試驗中實現產量提升7-9%；在國外常用的較低密度種植條件下，增產幅度可達10-11%。增產主要來源于小穗數和籽粒數的增加，而千粒重基本保持穩定。
該研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、山東省自然科學基金及基因功能研究與操控全國重點實驗室的資助。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-026-02246-3