图 发育时序决定小麦穗分枝数量和穗粒数

　　在国家自然科学基金重点项目（批准号：32230010）等资助下，北京大学焦雨铃教授团队在禾本科花序发育计算建模与小麦高产基因挖掘方面取得新进展，通过建立具有普适性的花序发育数学模型，成功在小麦突变体库中筛选出符合“加速发育进程”的早熟、复小穗突变体，并经多年多点田间试验验证，系统评估并证实了该突变体的可观应用潜力。研究成果以“禾本科花序形态动力学模拟指导小麦产量提升（Grass inflorescence morphodynamics guides yield improvement in wheat）”为题，于2026年3月11日在《自然·植物》（Nature Plants）期刊发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-026-02246-3。

　　花序结构决定作物的穗粒数，是影响产量的核心要素。禾本科植物（如：小麦、水稻、玉米等）花序形态多样，传统发育模型难以解析其形态建成规律。构建能够模拟并预测花序发育的计算模型，对理解植物形态多样性、指导作物高产基因挖掘具有重要意义。

　　该研究通过整合对小麦和水稻早期花序发育过程的精细比较，构建了基于“林登迈耶系统（L-system）”的普适性形态动力学模型，创新性地引入了控制分生组织命运的“命运计时器”和调控侧生器官起始的“形态发生潜能窗口”等核心动力学参数，首次实现了对“长什么”“何时长”及“长多少”等发育过程的统一描述。该模型成功解释了小麦、水稻、玉米和大麦等主要禾本科作物的花序结构差异，并精准预测了小麦中可增加小穗数的“复小穗”表型变异形成的两条独立发育路径。模型预测出的一条理想增产路径：通过“加速发育进程”而非“延长发育时间”来形成复小穗，能在不推迟抽穗和成熟的前提下实现增产，非常适合我国小麦－玉米轮作制度对农时的严苛要求。基于该理论预测，团队从小麦突变体库中筛选出符合此路径的早熟、复小穗突变体duo2，并证实其表型由RA2-D基因的功能缺失引起，该基因是玉米花序分枝关键调控因子RAMOSA2（RA2）的直系同源基因。

　　田间试验进一步验证了该基因的应用潜力。多年多点试验表明duo2突变体在不同种植密度下均显著增产。在我国主产区常用的高密度条件下，增产幅度为7~9%；在较低密度条件下，增产幅度可达10~11%。增产主要源于小穗数和籽粒数的增加，而千粒重则保持稳定。

　　该研究首次建立了能够定量模拟禾本科花序发育动态的普适模型，并成功实现了“模型驱动基因挖掘”的研究范式，不仅为理解植物形态建成提供了新理论框架，也为小麦产量遗传改良提供了具有应用前景的新基因资源。