本研究通过基于身份同源的全基因组关联分析，在玉米中鉴定出31个与茎秆强度相关的数量性状位点，并成功克隆了一个位于热点QTL区域的关键基因 ZmPRX38（编码过氧化物酶38）。该基因在营养生长期的茎秆中高表达，其蛋白定位于细胞膜、细胞质和细胞外基质。功能验证表明，敲除ZmPRX38会降低玉米茎秆强度和产量，而过表达该基因则能同时增强茎秆强度和产量。机制上，ZmPRX38通过参与苯丙烷代谢途径，影响G型、H型和S型木质素单体的生物合成。此外，研究还鉴定出ZmPRX38的一个优异单倍型（Hap4），能显著增强茎秆强度。尽管该优异单倍型在91.46%的玉米自然群体材料中存在，但作为中国玉米骨干种质的黄改系群体却大多含有不利单倍型。因此，通过基因编辑技术对ZmPRX38的不利单倍型进行定向改良，是提高玉米茎秆强度、增强抗倒伏能力和产量的有效策略。

1题目

文章题目：ZmPRX38 is required for improving stalk strength and yield in maize

发文单位：北京市农林科学院玉米研究所，玉米DNA指纹与分子育种北京市重点实验室，湖南农业大学农学院，岳麓山实验室

研究对象：玉米

研究领域：抗倒伏能力和产量研究

2杂志

Journal of Genetics and Genomics；1区 IF=7.1分

3链接

Wang, X., Wang, T., Zhang, R., Deng, M., Sun, X., Li, J., Chen, D., Zhao, Y., Wang, J., Wang, S., Li, Z., Xu, R., Wang, R., Song, W., & Zhao, J. (2025). ZmPRX38 is required for improving stalk strength and yield in maize. Journal of Genetics and Genomics. https://doi.org/10.1016/j.jgg.2025.10.009

4检测方法

Norminkoda提供了木质素单体，液相靶向检测

5主要内容

遗传定位： 利用特殊的茎秆性状特异性CUBIC群体，通过全基因组关联分析，定位到31个控制茎秆强度的QTL，其中7个为多性状共定位的“热点区域”。

候选基因克隆： 聚焦于3号染色体上一个与茎秆弯曲强度密切相关的热点QTL区域，通过基因注释和关联分析，确定 ZmPRX38 为关键候选基因。

基因表达与亚细胞定位： 发现ZmPRX38在玉米幼嫩茎秆中表达量最高。亚细胞定位实验证明该蛋白存在于细胞膜、细胞质以及细胞壁区域的细胞外基质中，这与其在细胞壁木质化过程中的功能相符。

功能验证（过表达与敲除）：

过表达： 在B73背景中过表达ZmPRX38，转基因植株表现出茎秆更粗、更坚硬（RPR和SBS值升高），木质素、纤维素和半纤维素含量增加，同时产量相关性状（穗粒重、百粒重等）也显著提升。

敲除： 利用CRISPR/Cas9技术敲除ZmPRX38，突变体植株茎秆变弱，抗倒伏能力差，细胞壁成分含量降低，产量下降。

作用机制探究：

转录组学： 敲除突变体的转录组分析显示，苯丙烷生物合成途径中的关键基因（如PAL, 4CL, CCR, CAD等）表达显著下调。

代谢物检测： 直接检测发现，敲除突变体中三种木质素前体物质（松柏醇、芥子醇）的含量以及三种木质素单体（S, G, H型）的含量均显著降低，表明ZmPRX38确实催化木质素单体的聚合。

优异单倍型鉴定与应用前景： 在自然群体中鉴定出ZmPRX38的优异单倍型（Hap4），并指出中国重要的黄改系种质因携带不利单倍型而导致茎秆强度存在缺陷，提出了通过基因编辑进行精准改良的育种策略。

主要结论

ZmPRX38是控制玉米茎秆强度的关键正调控基因。它通过影响细胞壁木质素的沉积来增强茎秆的机械强度。

ZmPRX38具有“一因多效”的正面效应。过表达该基因不仅能显著提高抗倒伏性，还能协同增加产量，实现了“抗倒”与“增产”的统一，这在育种中具有极高价值。

ZmPRX38的作用机制是参与苯丙烷代谢途径，直接催化木质素单体的最终合成步骤，特别是对S型木质素的合成有较强偏好。

鉴定出的ZmPRX38优异单倍型（Hap4）为分子育种提供了直接靶点。针对黄改系等骨干种质的不利单倍型进行编辑，是快速提升现有主栽品种抗倒伏能力的有效途径。

6总结

解决产业关键问题： 玉米倒伏是制约高密度高产栽培的主要瓶颈。该研究直击这一核心问题，研究成果对保障玉米稳产增产有直接贡献。

研究策略系统严谨： 工作流程非常完整，从群体构建、QTL定位、基因克隆、功能验证（正反两方面）、到机制深挖（转录组、代谢组）和优异等位变异发掘，形成了完整的证据链，结论可靠。

发现“优优叠加”基因： 在作物遗传改良中，一个基因的导入往往伴随负面效应（如增产但抗性下降）。而ZmPRX38的罕见之处在于，过表达它同时带来了抗倒伏性增强和产量提升两大理想性状，这使其成为极具应用潜力的“明星基因”。

育种指导意义明确： 研究不仅停留在基础生物学层面，更重要的是指出了具体的育种路径。它明确指出了中国骨干种质“黄改系”的缺陷所在，并提出了精准的解决方案（编辑UTR等区域），为分子设计育种提供了清晰的理论依据和基因资源。

总而言之，这项研究不仅首次揭示了ZmPRX38在玉米茎秆发育和产量形成中的核心作用，更重要的是为培育抗倒伏、高产玉米新品种开辟了新的、高效的分子育种途径，是一项兼具重要科学意义和巨大应用价值的优秀研究。