鮮食玉米作為營養豐富并具有獨特食味品質的玉米類型，包括甜玉米、糯玉米以及甜加糯玉米等。我國已成為全球最大的鮮食玉米生產國和消費國，總面積達到2600多萬畝約占全球的一半。北京市農林科學院等科研單位將甜、糯與多種優異品質性狀（高花青素、高葉酸、高賴氨酸等）相聚合，創制優新種質，培育出豐富多樣的優質鮮食玉米新品種。

 

　　作物馴化和遺傳改良的相關研究主要集中在早期馴化和農藝性狀方面，而對于如何塑造鮮食玉米營養風味物質的代謝過程尚不清晰。本團隊利用從全球收集和自主創制的452份鮮食玉米自交系和農家種種質材料，涵蓋了糯玉米、甜玉米和普通玉米等。從鮮食玉米籽粒中鑒定到超過3000種非冗余代謝物，利用本研究提出的代謝物注釋改良方法對其中的802種代謝物進行了注釋。數量遠超已公布的其他研究，成功構建了全球首個全景鮮食玉米代謝組圖譜。

 

　　本研究通過分析普通玉米和甜玉米、糯玉米的代謝分化特征，發現盡管甜、糯玉米來源于全球不同的地理位置（北美和中國等）和不同的馴化時間點，但趨同分化是甜、糯玉米代謝分化的主要模式，例如黃酮含量趨同降低和脂質含量趨同增加，這源于人類對鮮食玉米風味、口味和營養的追求。共發現9個代謝物類別經歷了趨同代謝變化，3種不同的趨同分化模式。農家種分化階段趨同代謝物主要為次生代謝物，遺傳改良階段趨同代謝物主要為初生代謝物。利用單堿基分辨率變異圖譜的mGWAS熱點分析，在代謝熱點中識別出所有代謝物類別中的節點基因。進一步結合選擇消除分析，在黃酮和脂類代謝物中分別鑒定到17個和15個關鍵分化節點基因。令人意外的是，分化節點基因幾乎都受到了多樣化選擇（非平行選擇），即甜、糯各自的趨同代謝分化作用基因幾乎完全不同，表明多樣化選擇是驅動鮮食玉米代謝物趨同分化的主要遺傳機制。通過進一步的遺傳學和分子生物學研究，揭示了ZmGPAT11基因在脂類代謝通路中趨同代謝分化作用和多樣化選擇的分子機制。此外，本研究還建立了全球首個鮮食玉米代謝組數據庫EMMDB（www.maizemdb.site/home/）。利用該數據庫中的全基因組預測工具，成功實現鮮食玉米營養和風味物質的精準改良，預測出黃酮類物質、卵磷脂、腦磷脂和維生素（A、B6和葉酸）含量顯著改善的優良自交系6644_2。本研究揭示了鮮食玉米代謝分化的遺傳機制，為鮮食玉米風味和營養性狀的代謝物精準設計改良提供了重要數據和理論支撐。

 

　　北京市農林科學院玉米研究所李春輝副研究員為該論文的第一作者，李志勇助理研究員、盧柏山研究員、史亞興研究員、肖森林博士為共同第一作者，趙久然研究員、宋偉研究員和王榮煥研究員為共同通訊作者。感謝中國農業科學院作物科學研究所李慧慧研究員和崔迪副研究員、華南農業大學王海洋研究員、江蘇省農業科學院呂遠大副研究員對該研究的支持和指導。本研究得到北京市農林科學院基因組學育種協同創新中心建設項目（KJCX201907-2）、北京學者項目（BSP041）、北京市農林科學院優秀青年基金（YXQN202401）以及北京市農林科學院青年基金（QNJJ202407）的資助。