今日《科學》：提高玉米和水稻產量，中國科研團隊找到關鍵基因

田間試驗顯示，敲除這個基因后，玉米和水稻的谷物產量分別增加10%和8%，而且對其他農藝性狀沒有任何明顯的負面影響。

這一發現來自科研人員對玉米和水稻馴化過程的分析。人類對這兩種禾本科植物的馴化栽培大約從近10000年前就開始了，為了滿足人類的需求，它們如今在很多形態、生理特征上與其野生祖先顯得很不一樣。

盡管玉米和水稻各自走過的馴化道路不同，但作為備受人類青睞的農作物，它們出現了一些共同的變化，比如：種子成熟后不像野生祖先那樣自動脫落（方便了人類收割）；種子休眠減少（有利于同一時間萌發和收割）；植株上的籽粒數量更多或顆粒更大（滿足我們對高產的要求）。

科學家們由此推斷，這兩種作物馴化出來的共同特征，背后可能是由保守的基因驅動的。如果是這樣，找到這類經過趨同選擇的關鍵基因，并在育種計劃中針對這些基因進行操作，可以開發改良的作物品種。

根據這一思路，研究團隊首先在玉米及其野生近緣種大芻草（teosinte）的全基因組范圍內進行了探索，尋找控制玉米籽粒數量的基因。通過對基因組區域精細定位，他們找到了一個候選基因KRN2（kernel row number2）。這個基因在栽培玉米和野生大芻草之間存在差異，與一根玉米棒子上有多少排籽粒有關，因此對玉米產量有很大影響。

而在水稻中，正如研究人員所猜測的那樣，他們找到了KRN2的同源基因OsKRN2。這個基因同樣從栽培稻到野生稻經歷了選擇，并且OsKRN2調節的也是水稻產量的一個決定因素：水稻穗的二級分枝（secondary branch）數量。

▲在全基因組范圍內，研究人員鑒定出了玉米和水稻經歷趨同選擇的490對種間同源基因，包括玉米的KRN2及其水稻同源基因OsKRN2（圖片來源：參考資料[1]）

進一步分析顯示，這一對同源基因都編碼WD40蛋白，并與另一個功能未知的基因DUF1644相互作用，對兩種作物的籽粒數量起著負調控作用。也就是說，敲除這一基因，可以通過增加玉米籽粒行數和增加水稻穗的二級分枝數，分別提高玉米和水稻的籽粒數。而這一結果分別在基因編輯實驗和田間試驗中得到了驗證。

▲在內蒙古巴彥淖爾、海南三亞、遼寧鐵嶺的多次田間對照試驗表明，KRN2基因編輯玉米和OsKRN2基因編輯水稻產量增加（圖片來源：參考資料[1]）

值得一提的是，包括KRN2、OsKRN2這對種間同源基因在內，研究團隊一共鑒定出了490對種間同源基因在玉米和水稻的馴化過程中經歷了趨同選擇。對這些基因的深入了解，有望為作物的育種工作提供更多的洞見，加快玉米和水稻種質創新，還可以為從頭馴化新作物提供信息，滿足全球糧食生產的多樣化需求。