2022年3月25日，《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)嚴(yán)建兵團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)李建生和楊小紅團(tuán)隊(duì)的研究論文“Convergent selection of a WD40 protein that enhances grain yield in maize and rice”。研究發(fā)現(xiàn)玉米KRN2和水稻OsKRN2受到趨同選擇并通過相似的途徑調(diào)控玉米和水稻的產(chǎn)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(guī)律。該研究為作物馴化的機(jī)理解析和未來作物育種奠定了重要理論基礎(chǔ)。
大約一萬年前，古代人類開始馴化動(dòng)植物，人類生活方式從狩獵逐步過渡到農(nóng)耕，農(nóng)業(yè)文明開始。玉米、水稻和小麥?zhǔn)瞧耨Z化最為成功的三大農(nóng)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(fā)生在地球的不同地區(qū)，祖先各不相同，形態(tài)和生長(zhǎng)習(xí)性各異。它們?cè)陂L(zhǎng)期的改良和選擇過程中，發(fā)生了什么，是否遵循了共同的遺傳規(guī)律？這是一個(gè)重大的基礎(chǔ)科學(xué)問題，對(duì)作物的遺傳改良也有重要的實(shí)踐意義。
中國(guó)農(nóng)大和華中農(nóng)大的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)18年，師生三代人圍繞這個(gè)問題持續(xù)攻關(guān)從基因和基因組兩個(gè)層面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。首先利用野生玉米資源創(chuàng)制了特異的6行玉米材料，采用基因組學(xué)技術(shù)鑒定了一個(gè)調(diào)控玉米穗行數(shù)的基因KRN2。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在玉米馴化和改良過程中，該基因上游非編碼區(qū)受到了明顯的選擇，導(dǎo)致基因表達(dá)量降低，進(jìn)而增加了玉米的穗行數(shù)和穗粒數(shù)，最終增加產(chǎn)量。同時(shí)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(shù)，最終影響穗粒數(shù)和產(chǎn)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(dǎo)致基因表達(dá)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(diào)控玉米穗行數(shù)與水稻穗粒數(shù)。
進(jìn)一步，該研究在全基因組水平上對(duì)玉米和水稻趨同選擇的范圍和機(jī)制進(jìn)行了深入解析，共檢測(cè)到了490對(duì)經(jīng)歷了趨同選擇的同源基因?qū)Α＿@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(chǔ)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(chǎn)量的重要因素。這些結(jié)果不僅有助于深入認(rèn)識(shí)和理解農(nóng)作物的進(jìn)化和改良過程，而且對(duì)加速作物的育種進(jìn)程和為從頭馴化創(chuàng)制新型作物提供有價(jià)值的信息。
該研究還利用基因編輯技術(shù)創(chuàng)制了KRN2和OsKRN2基因功能敲除的新材料。多年多點(diǎn)的田間小區(qū)試驗(yàn)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(chǎn)量和8%的水稻產(chǎn)量，并且對(duì)其它農(nóng)藝性狀沒有明顯的負(fù)面影響，展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。
作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)建兵教授和中國(guó)農(nóng)大李建生和楊小紅教授，為該論文的共同通訊作者。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士生陳露（現(xiàn)為中科院遺傳所博士后），楊寧教授和中國(guó)農(nóng)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(tuán)隊(duì)的多位學(xué)生和博士后，以及我校講座教授David Jackson和楊芳教授，揚(yáng)州大學(xué)陳賽華教授，中國(guó)農(nóng)大孫傳清、秦峰和田豐教授，德國(guó)馬普分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授等多個(gè)實(shí)驗(yàn)室共同參與了該項(xiàng)工作。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃、“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目資助。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg7985
Abstract
A better understanding of the extent of convergent selection among crops could greatly improve breeding programs. We found that the quantitative trait locus KRN2 in maize and its rice ortholog, OsKRN2, experienced convergent selection. These orthologs encode WD40 proteins and interact with a gene of unknown function, DUF1644, to negatively regulate grain number in both crops. Knockout of KRN2 in maize or OsKRN2 in rice increased grain yield by ~10% and ~8%, respectively, with no apparent trade-offs in other agronomic traits. Furthermore, genome-wide scans identified 490 pairs of orthologous genes that underwent convergent selection during maize and rice evolution, and these were enriched for two shared molecular pathways. KRN2, together with other convergently selected genes, provides an excellent target for future crop improvement.
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