2024年3月22日，上海师范大学王文琴团队与中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿团队合作在Nature Communications上发表了题为 “An ARF gene mutation creates flint kernel architecture in dent maize”的研究论文。经过长达8年的不懈努力，研究团队首次成功克隆了将马齿玉米转变为硬粒型籽粒的关键基因Fka1（ARFTF17）。ARFTF17与MYB40相互作用，调控种皮中IAA的含量，进而影响种皮的发育和马齿硬粒型的形成。单个基因fka1的变异就足以将深凹陷粒型的杂交种改良为饱满的硬粒型，改良后的籽粒不易破损、容重高、脱水快，同时不影响产量。
硬粒和马齿是玉米中两个重要的种质资源，各自具有独特的优缺点：马齿籽粒通常较大，但上部胚乳灌浆不足容易导致塌陷，含有较多粉质胚乳，脱水速度较慢，容重相对较低，不利于机械收获和储藏；而硬粒玉米的籽粒通常较小，但含有较多硬质胚乳，容重高、脱水快，籽粒不易受损，有利于机械收获、储藏和运输。在育种过程中，人们希望结合马齿和硬粒玉米的优点，培育出硬粒型、容重高、脱水快、适宜机械收获的理想玉米品种。然而，控制硬粒马齿的关键基因一直未能被克隆。
自2016年起，研究团队开始尝试通过构建遗传群体进行基因的定位克隆。经过多年的努力，发现硬粒马齿受母体基因型控制，同时受微效多基因控制，当代基因型需要通过下一代籽粒的表型来判断，因此遗传群体的构建相当困难，基因的克隆也较为困难。O2是控制玉米硬质胚乳形成的核心转录因子，单基因突变就能使籽粒完全转变为粉质，但这会影响淀粉合成并影响粒重。因此，研究团队考虑使用EMS诱变马齿自交系的方法来筛选硬粒型籽粒，以克服微效多基因的上位性影响。由于硬粒马齿受母体基因型控制，F2基因型分离需要通过F3的籽粒表型来判断，在筛选了3000多份M3株系后，最终获得了一份硬粒型且百粒干重不变的材料，命名为fka1。fka1的表型在不同生态环境下表现稳定，通过遗传学和细胞学方法证明其硬粒表型是由种皮发育导致的。经过BSA测序、图位克隆和遗传验证，发现其编码一个ARF转录因子，ARFTF17。
通过不同发育时期的RNA-seq数据和代谢组数据分析，研究团队很快确定了导致表型变化的代谢通路：生长素含量下降、黄酮含量增加；同时发现了黄酮合成相关基因、PIN1以及其他基因的表达差异。ARFTF17与MYB40相互作用，共同调控黄酮合成基因和PIN1的表达，从而调控种皮中生长素的含量和种皮的发育，最终影响玉米种皮的发育和硬粒马齿籽粒的形成。这项研究不仅首次揭示了玉米种皮发育对硬粒马齿粒型的调控作用，还率先揭示了玉米种皮发育的分子调控模块，为进一步研究玉米种皮发育和改良马齿玉米的遗传提供了坚实基础。
科研工作不仅要从生产需求中抽丝剥茧，提炼科学问题，瞄准国际前沿，同时也要回归生产实践，以满足国家重大战略需求。经过多年的不懈努力，王文琴团队和巫永睿团队合作验证了fka1在30多份马齿自交系中的生物学功能，并将其用于改良我国栽培面积最广的杂交种郑丹958。经过改良后，这个杂交种在多年多点的田间试验中表现出硬粒型、外观品质优良、籽粒不易破损、容重高、脱水快、产量稳定，有利于玉米的机械收获。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心的王海海研究员、四川农业大学黄永财教授、中国科学院分子植物科学卓越创新中心的李瑜洁博士生为本文的共同第一作者，巫永睿研究员和上海师范大学王文琴教授为本文共同通讯作者。上海师范大学硕士毕业并已经入职中国科学院分子植物科学卓越创新中心的助理工程师崔亚辉、高级实验师王琼、副研究员王婕琛、高级实验师高小彦；博士生朱一栋、肖俏、黄兴、马光近；安徽农业大学的向小利副教授、上海市农业科学院的王晓庆副研究员、齐鲁师范学院的路小铎教授、美国亚利桑那大学的Brian A. Larkins院士都参与了该工作。本研究得到生物育种重大项目（王海海，巫永睿2023ZD04069）、国家自然科学基金（巫永睿31925030）和国家重点研发计划（巫永睿，王文琴2022YFF1003302）的资助。
