高温炙烤下，“噼啪”一声脆响玉米迸裂成蓬松的爆米花美味背后是关于玉米的十万个为什么哪些玉米可以做成爆米花？哪些不能？其中的原因又是什么？

近日，农学院林中伟教授课题组在研究中揭示了爆裂玉米背后的奥秘让我们跟随“爆米花教授”一探究竟吧。

高质量基因组序列奠定坚实基础

大约在一万年前，美洲安第斯山麓广大地区的土地上，茎秆纤细、籽粒稀疏的野生大刍草在古代印第安人的悉心培育下，逐渐演化出饱满的果穗与丰富的淀粉。随着世界文明的交流和贸易路线的延伸，玉米沿着美洲大陆南北扩散在不同气候与土壤中分化出成千上万个品种，最终成为全球三大主粮之一。

“在漫长的进化之中，玉米演化出了丰富的表型多样性”，林中伟介绍到，根据籽粒特征可分为六大经典类型：马齿型玉米、硬粒型玉米、甜质型玉米、粉质型玉米、糯质玉米、爆裂玉米。这些形态差异的根源，藏在胚乳之中，胚乳内淀粉与蛋白质的比例、结构差异，造就了玉米的千变万化。“但能够做成爆米花的只有爆裂玉米，和我们常见的普通玉米不同，爆裂玉米最显著的特点就是籽粒异常坚硬。正是这层坚硬的外壳，使得它在高温加热时，内部水分变成的蒸汽无法轻易逸出，最终压力积聚，籽粒瞬间爆裂，形成我们熟悉的爆米花。”

成熟的三代测序技术是林中伟深入研究爆裂玉米的“利器”。过去，由于技术限制，学界对爆裂玉米的研究进展缓慢，测出来的DNA序列不全，错误率高且碎片化，很难得到有用的数据进行分析。“我们用三代测序技术得到了质量很高、基本完整且序列准确率高的基因组，这为后续解析进化机制和基因组功能提供了很好的条件”，林中伟说道。有了技术的加持，团队对爆裂玉米神奇的进化遗传机制进行深入探究，也为玉米优异种质的挖掘与利用提供范本。在实验中，课题组选择了来自美洲的草莓爆裂玉米地方种，利用先进的高通量测序技术，像拼图一样将它的基因组完整组装出来。经过严格评估，基因完整性和组装质量都达到了极高标准，连最难拼的重复片段都拼得很准，注释的基因完美无缺，为后续研究奠定了坚实基础。

爆裂玉米神奇之一：双标

研究中，林中伟团队发现爆裂玉米存在一种特殊现象：“单向杂交不亲和”，即花粉能给其他玉米授粉结果，但其他玉米的花粉却会被它“婉拒”，无法让它授精结实。“单向杂交不亲和”和爆裂玉米的“秘密基因”有关。爆裂玉米的基因就像它的“守卫”，能维持品种的高纯度，它自带一套严格筛选花粉的系统，只认自己的花粉，外来花粉一律“拒之门外”。而普通玉米在驯化过程中，就把这套筛选能力被抛弃了，所有花粉都能接受，这才造成了两者的差异。

爆裂玉米神奇之二：颠倒

爆裂玉米身体里藏着一段“倒着长”的DNA，这是林中伟课题组的另一个发现。“可以把基因想象成一条有序排列的项链，每颗珠子都有自己固定的位置和方向。但在爆裂玉米这儿，有几颗珠子突然180度大翻转，顺序完全颠倒了！”。这段“倒错”的DNA就像拉链卡住、拼图打乱，和其他玉米杂交时，没法像正常情况那样交换重组，使后代种子没法正常发育。这种“叛逆”可能有利于维护爆裂玉米的纯正。

爆裂米神奇之三：驯化

“从野生大刍草到爆裂玉米，人类在漫长的驯化过程中扮演了重要角色”，林中伟介绍，在漫长的驯化过程里，有大概2500个基因被慢慢筛选出来，其中有12个基因特别关键，直接决定了爆裂玉米为啥能变成爆米花。这些基因就像一群分工明确的工匠，各显神通来打造爆裂玉米的“超能力”。有的基因专门负责加固玉米籽粒“外壳”，有些基因是“配方大师”，调整玉米里蛋白质和淀粉的比例，让玉米粒变得又硬又有韧性，爆开后还能保持酥脆口感。另外，还有些基因负责增加玉米粒硬度，就像给玉米粒“健身”变得更结实。正是这些基因协同作用，打造出“抗压外壳”和“弹性胚乳”，让爆裂玉米变成蓬松可口的爆米花。

触类旁通，“爆”力科学

研究过程中，课题组提出一个问题：为什么市面上未爆裂的玉米大多是金灿灿的？常见食材的特性常蕴含相同科学原理，意大利面的诱人黄色源于β-胡萝卜素，这种天然色素不仅赋予其独特色泽，还能让口感更脆硬。商用的爆裂玉米籽粒多呈金黄色，是因为含有β-胡萝卜素，不仅让籽粒外观更具吸引力，还通过提升硬度提升了爆裂性能。以往研究对β-胡萝卜素在爆裂玉米中的作用关注不足，但此次研究发现了几个基因能够提升胡萝卜素含量，是爆裂玉米品质的重要影响因素，从而为接下来的育种工作提供参考。“这些基因对提高爆裂玉米的膨爆率、膨胀系数等有重要作用，未来可以帮助育种家更快培育出高品质、高爆裂率的品种。”

科研赋能，走向田野

当爆裂玉米在测序仪上展露基因密码时，林中伟团队已将科研成果铺向广袤田野。如今美国爆裂玉米产业以数百亿元产值书写传奇，而我国市场规模尚不足几十亿元，有巨大发展空间。因此，团队与种业企业联手开发基因芯片，将高爆花率、高蛋白等关键基因转化为育种标记，让每粒种子都成为科技选育的坐标；而与食品工程专家共创的微波炉包装工艺，则为传统爆裂玉米注入现代味觉——辣味的热烈、抹茶的清苦在高温中与籽粒共舞，让“基因选育+加工创新”的双轮驱动，真正成为农民手中的增收密码。科技赋能正如同播撒新的种子，在希望的田野上孕育着农业经济的新爆点。

爆裂玉米，未来可期

目前，林中伟团队正持续不断地从丰富多彩玉米种质资源中挖掘各种优异基因，为突破玉米的育种瓶颈贡献力量。团队正在挥汗如雨地从事“地下工作”，描绘根系发育的基因网络，加速育成“扎根大地”的抗根倒良种，让玉米在狂风中依然挺立如哨兵。而籽粒脱水技术的攻关，则是一场与自然含水率的博弈，团队正挖掘生理性脱水基因，期待让籽粒含水量快速下降，实现从“收棒子”到“收籽粒”的跨越，让金黄的籽粒直接从植株跃入粮仓。此外，耐密高产基因的挖掘如同为黄淮海高温寡照区定制阳光配方，抗盐碱基因则为广袤的盐碱土地播撒希望，这些被唤醒的优异基因，正成为夯实粮食安全的生命基石。在不久的将来，爆花率超95%的微波炉专用爆裂玉米将在三分钟内完成从籽粒到金黄酥脆的蜕变，高蛋白爆米花将以牛排70%的蛋白含量重塑零食定义，富含花青素的彩色玉米粉则为厨房染上自然的虹彩……从鲜食糯玉米到工业加工品种，每一粒玉米都将成为科技与味蕾的结晶，在多元消费场景中演绎生命科学的甜美注脚。

当爆裂玉米的噼啪声回响在实验室与田野之间林中伟团队正以基因作为钥匙打开玉米产业高质量发展的大门让科研成果如玉米粒般扎根沃土让创新滋味如爆米花般融入万家餐桌正是生命科学最动人的实践叙事！