今日《科學(xué)》：提高玉米和水稻產(chǎn)量，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)找到關(guān)鍵基因

田間試驗(yàn)顯示，敲除這個(gè)基因后，玉米和水稻的谷物產(chǎn)量分別增加10%和8%，而且對(duì)其他農(nóng)藝性狀沒(méi)有任何明顯的負(fù)面影響。

這一發(fā)現(xiàn)來(lái)自科研人員對(duì)玉米和水稻馴化過(guò)程的分析。人類(lèi)對(duì)這兩種禾本科植物的馴化栽培大約從近10000年前就開(kāi)始了，為了滿足人類(lèi)的需求，它們?nèi)缃裨诤芏嘈螒B(tài)、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(guò)的馴化道路不同，但作為備受人類(lèi)青睞的農(nóng)作物，它們出現(xiàn)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(dòng)脫落（方便了人類(lèi)收割）；種子休眠減少（有利于同一時(shí)間萌發(fā)和收割）；植株上的籽粒數(shù)量更多或顆粒更大（滿足我們對(duì)高產(chǎn)的要求）。

科學(xué)家們由此推斷，這兩種作物馴化出來(lái)的共同特征，背后可能是由保守的基因驅(qū)動(dòng)的。如果是這樣，找到這類(lèi)經(jīng)過(guò)趨同選擇的關(guān)鍵基因，并在育種計(jì)劃中針對(duì)這些基因進(jìn)行操作，可以開(kāi)發(fā)改良的作物品種。

根據(jù)這一思路，研究團(tuán)隊(duì)首先在玉米及其野生近緣種大芻草（teosinte）的全基因組范圍內(nèi)進(jìn)行了探索，尋找控制玉米籽粒數(shù)量的基因。通過(guò)對(duì)基因組區(qū)域精細(xì)定位，他們找到了一個(gè)候選基因KRN2（kernel row number2）。這個(gè)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(guān)，因此對(duì)玉米產(chǎn)量有很大影響。

而在水稻中，正如研究人員所猜測(cè)的那樣，他們找到了KRN2的同源基因OsKRN2。這個(gè)基因同樣從栽培稻到野生稻經(jīng)歷了選擇，并且OsKRN2調(diào)節(jié)的也是水稻產(chǎn)量的一個(gè)決定因素：水稻穗的二級(jí)分枝（secondary branch）數(shù)量。

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

進(jìn)一步分析顯示，這一對(duì)同源基因都編碼WD40蛋白，并與另一個(gè)功能未知的基因DUF1644相互作用，對(duì)兩種作物的籽粒數(shù)量起著負(fù)調(diào)控作用。也就是說(shuō)，敲除這一基因，可以通過(guò)增加玉米籽粒行數(shù)和增加水稻穗的二級(jí)分枝數(shù)，分別提高玉米和水稻的籽粒數(shù)。而這一結(jié)果分別在基因編輯實(shí)驗(yàn)和田間試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

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

值得一提的是，包括KRN2、OsKRN2這對(duì)種間同源基因在內(nèi)，研究團(tuán)隊(duì)一共鑒定出了490對(duì)種間同源基因在玉米和水稻的馴化過(guò)程中經(jīng)歷了趨同選擇。對(duì)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(jiàn)，加快玉米和水稻種質(zhì)創(chuàng)新，還可以為從頭馴化新作物提供信息，滿足全球糧食生產(chǎn)的多樣化需求。