美国玉米带育种技术同步提升玉米产量与抗旱性的双赢策略

《Nature Communications》：Concurrent improvements in maize yield and drought resistance through breeding advances in the U.S.Corn Belt

　　本研究针对全球旱灾频发对雨养玉米生产的威胁，通过分析美国玉米带2000-2020年92,096个杂交品种试验数据，首次量化了育种技术进步对产量和抗旱性的协同提升效应。研究发现新品种在灌浆期抗旱性显著增强，预计到2100年可使干旱减产损失降低17.8%，为气候变化下的粮食安全提供了关键育种策略。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱已成为影响雨养农业生产的首要威胁。在美国玉米带——这个占全球玉米产量30%的核心产区，干旱导致的年产量波动高达13%。更令人担忧的是，气候模型预测显示，到本世纪末该地区玉米产量可能因干旱减少30%。面对这一严峻挑战，传统育种技术能否在提高产量的同时增强作物的抗旱能力，成为保障全球粮食安全的关键科学问题。

以往研究多聚焦于单一性状的改良，而对产量与抗旱性协同进化的系统性证据尚显不足。正是这一知识空白，促使堪萨斯州立大学领衔的国际研究团队开展了这项大规模分析。研究人员创新性地整合了长达20年的田间试验数据，通过环境指数和蒸气压亏缺(VPD)等气象指标，首次揭示了现代育种技术如何实现"鱼与熊掌兼得"的突破。

这项发表于《Nature Communications》的重要研究，通过对92,096个杂交品种试验观测数据的深入分析，发现现代玉米杂交种不仅实现了每年1.2%的稳定增产，更在灌浆期表现出显著增强的抗旱能力。研究预测，新品种在高温室气体排放情景(SSP5-8.5)下，可将干旱导致的产量损失从老品种的35.8%降低至18.0%，为应对气候变化提供了有力的育种解决方案。

研究团队采用了几项关键技术方法：首先构建了包含63个雨试验点、12,847个杂交种的大规模田间数据库；利用分段线性模型确定VPD阈值(营养期1.4 kPa/灌浆期1.3 kPa)；通过环境指数(EI)量化环境胁迫水平；采用线性混合效应模型分析育种进展与抗旱性的关系；结合CMIP6气候模型预测未来产量响应。

历史干旱对玉米产量的影响

研究发现玉米产量对VPD存在明显的阈值响应。当VPD超过1.4 kPa(营养期)和1.3 kPa(灌浆期)时，产量显著下降，其中灌浆期的高VPD导致产量降低1.55 t ha^-1kPa^-1(相当于历史产量的12.4%)。这种非线性关系在低产、中产和高产杂交种中均保持一致。

育种进展带来的抗旱性提升

通过环境指数分析发现，2000-2020年间所有环境胁迫水平下玉米产量均呈现显著上升趋势(0.15 t ha^-1yr^-1)。特别值得注意的是，即使在最差环境条件下(EI<10%)，产量增长趋势与最优条件无显著差异，表明育种进展实现了跨环境的平行增益。

VPD敏感性随时间变化

研究揭示了一个关键现象：虽然营养期抗旱性无显著改善，但灌浆期抗旱性以每年0.12 t ha^-1kPa^-1的速度显著提升。2012年后随着抗旱杂交种(DT)的推广，这一改善尤为明显，DT杂交种在灌浆期的抗旱性比非DT杂交种高30%。

气候变化下的产量预测

基于CMIP6模型预测显示，到2100年，在老杂交种中SSP5-8.5情景下VPD导致的产量损失可达35.8%，而新杂交种能将损失控制在18.0%。新品种对VPD增产效应的缓解在不利生产条件下尤为显著。

该研究证实了过去20年育种技术成功实现了玉米产量与抗旱性的协同提升，这一突破主要归因于DT杂交种的推广、有限蒸腾性状的引入以及转基因技术的应用。特别是灌浆期抗旱性的显著改善，体现了育种策略从单纯追求产量向抗逆稳产转变的重要趋势。研究结果不仅为育种家提供了明确的改良方向，也为作物模型预测气候变化影响提供了重要参数。然而，作者也指出当前基于历史静态关系的预测存在局限，未来需要开发能够整合动态育种进展的模型，以更准确评估气候变化与作物改良的互作效应。这项研究最终证明，通过持续育种创新，我们有望在气候变化挑战下维持玉米生产的可持续性，为全球粮食安全提供科技支撑。