Science雜志在線發表華中農大與中國農大合作研究成果

2022年3月25日，《科學》雜志在線發表了華中農業大學嚴建兵團隊聯合中國農業大學李建生和楊小紅團隊的研究論文“Convergent selection of a WD40 protein that enhances grain yield in maize and rice”。研究發現玉米KRN2和水稻OsKRN2受到趨同選擇并通過相似的途徑調控玉米和水稻的產量，并通過全基因組選擇分析解析了玉米和水稻趨同選擇的遺傳規律。該研究為作物馴化的機理解析和未來作物育種奠定了重要理論基礎。

大約一萬年前，古代人類開始馴化動植物，人類生活方式從狩獵逐步過度到農耕，農業文明開始。玉米、水稻和小麥是迄今馴化最為成功的三大農作物，為全球人類提供了50%以上的能量攝入。這些作物馴化發生在地球的不同地區，祖先各不相同，形態和生長習性各異。它們在長期的改良和選擇過程中，發生了什么，是否遵循了共同的遺傳規律？這是一個重大的基礎科學問題，對作物的遺傳改良也有重要的實踐意義。

圖1：玉米和水稻趨同選擇的分子機制

中國農大和華中農大的聯合研究團隊歷經18年，師生三代人圍繞這個問題持續攻關從基因和基因組兩個層面進行了系統的研究。首先利用野生玉米資源創制了特異的6行玉米材料，采用基因組學技術鑒定了一個調控玉米穗行數的基因KRN2。進一步發現在玉米馴化和改良過程中，該基因上游非編碼區受到了明顯的選擇，導致基因表達量降低，進而增加了玉米的穗行數和穗粒數，最終增加產量。同時在水稻基因組中鑒定出玉米KRN2同源基因OsKRN2，該基因控制水稻的二次枝梗數，最終影響穗粒數和產量。在栽培稻馴化和改良過程中，該基因也同樣受到了選擇，導致基因表達量降低。KRN2/OsKRN2編碼一種WD40蛋白，它與功能未知蛋白DUF1644互作，通過一條保守的途徑調控玉米穗行數與水稻穗粒數。

進一步，該研究在全基因組水平上對玉米和水稻趨同選擇的范圍和機制進行了深入解析，共檢測到了490對經歷了趨同選擇的同源基因對。這些基因在淀粉及蔗糖代謝和輔因子生物合成等途徑中顯著富集。淀粉是谷物類植物在種子中存儲能量的主要成分，也是水稻和玉米能夠被馴化成主要糧食作物的重要原因，是影響籽粒產量的重要因素。這些結果不僅有助于深入認識和理解農作物的進化和改良過程，而且對加速作物的育種進程和為從頭馴化創制新型作物提供有價值的信息。

圖2: 基因編輯KRN2 可以同時提高玉米和水稻的產量

該研究還利用基因編輯技術創制了KRN2和OsKRN2基因功能敲除的新材料。多年多點的田間小區試驗表明，玉米KRN2敲除系和水稻OsKRN2敲除系可分別提高10%的玉米產量和8%的水稻產量，并且對其它農藝性狀沒有明顯的負面影響，展現了巨大的應用潛力。

作物遺傳改良國家重點實驗室、湖北洪山實驗室嚴建兵教授和中國農大李建生和楊小紅教授，為該論文的共同通訊作者。華中農大博士研究生陳露（現為中科院遺傳所博士后），楊寧教授和中國農大博士后陳文康，博士研究生張璇為該論文的共同第一作者，兩校團隊的多位學生和博士后，以及華中農大講座教授David Jackson和楊芳教授，揚州大學陳賽華教授，中國農大孫傳清、秦峰和田豐教授，德國馬普分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授等多個實驗室共同參與了該項工作。

論文鏈接（點擊鏈接即可跳轉閱讀原文）：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg7985