科学:中国学者发现敲除该基因可使水稻/玉米产量提高10%

来源：生物世界2022-03-28 08:50

包括玉米、水稻、小麦在内的谷物作为人类的主要食物来源，大约在一万年前被独立驯化。虽然不同的谷物经过了独立的驯化和改良，但它们的许多形态和生理特征有许多相似之处，如易于栽培、产量高、营养丰富等。这些共同特征可能是由保守基因驱动的。作为两种最重要的作物，玉米和水稻在大约5000万年前的进化中被分开。虽然两个基因组有相似之处，但至今只有少数基因被传递。

包括玉米、水稻、小麦在内的谷物作为人类的主要食物来源，大约在一万年前被独立驯化。虽然不同的谷物经过了独立的驯化和改良，但它们的许多形态和生理特征有许多相似之处，如易于栽培、产量高、营养丰富等。这些共同特征可能是由保守基因驱动的。

作为两种最重要的作物，玉米和水稻在大约5000万年前的进化中被分开。虽然两者基因组存在相似性，但迄今为止仅发现少数基因在玉米和水稻的进化过程中发生了趋同选择，对玉米和水稻在整个基因组中的分子趋同程度的了解非常有限。因此，加强对玉米和水稻中具有趋同选择的基因的全基因组鉴定，有助于阐明作物物种的进化，并加速改良作物品种的开发。

中国农业大学的杨晓鸿教授、李建生教授和华中农业大学作物改良国家重点实验室的闫建兵教授在国际顶级学术期刊《科学》上发表了题为“逆向选择一种提高玉米和水稻籽粒产量的W40蛋白”的研究论文。

他们深入研究了玉米产量性状位点KRN2及其同源水稻基因OsKRN2的功能和分子进化，发现敲除KRN2/OsKRN2基因可以提高产量10%左右，而对其他作物性状没有明显的负面影响。

本研究为KRN2/OsKRN2对玉米和水稻产量的趋同选择提供了进化和功能上的证据，同时确定了全基因组中玉米和水稻的趋同选择基因，为未来作物改良提供了重要的数据资源。

首先，研究人员在一个重组玉米自交系群体中鉴定了8个与籽粒行数(KRN)相关的基因座，其中qKRN2是最有影响力的基因座。随后，他们通过定位克隆探索了qKRN2受影响区域的基因。有趣的是，他们在这个区域只发现了一个候选基因KRN2(内核行数2)。这个基因与玉米上的粒行数有关，所以对玉米产量影响很大。他们随后的实验证明，KRN2的突变可以使玉米粒的行数增加约1.4行，代表更高的产量。

为了阐明KRN2的分子机制，他们通过双杂交技术筛选并鉴定了6个与KRN2有潜在相互作用的分子。其中，他们重点研究了duf1644基因，该基因在细胞质和细胞核中编码蛋白质。

在确认了KRN2和DUF1644之间的相互作用后，他们通过CRISPR-Cas9技术构建了krn2和duf1644突变体以及krn2-duf1644双突变体，进一步明确了它们之间的关系。结果表明，duf1644单突变体与野生型无显著差异，但krn2-duf1644双突变体的玉米子粒行数显著高于krn2单突变体。

KRN2同源物中含有的保守WD40结构域已在大多数主要谷类作物中发现，其中水稻中的KRN2直向同源基因为OsKRN，位于水稻4号染色体上，该区域与玉米2号染色体的短臂共线。后续的实验结果也表明，在驯化过程中，OsKRN2也经历了水稻粒数的选择，OsKRN2也是水稻穗二次枝梗数的调节因子，二次枝梗数是水稻产量的决定性因素。

接下来，他们研究了KRN2和OsKRN2的改良是否能提高田间产量。该团队在各种环境下种植了玉米KRN2和水稻OsKRN2基因编辑系，并进行了产量测试。

对于玉米，三种环境下的田间试验结果表明，两个KRN2编辑系可稳定增加玉米籽粒1.6 ~ 2.0行，增产9.0 ~ 10.5%。值得注意的是，这些KRN2敲除系没有改变植物结构、开花时间和穗长。

同样，在水稻中，OsKRN2编辑的品系的每穗粒数(平均增加9.8~10.3粒)和单株籽粒产量(平均增加7.9~8.2%)也有类似的增加，其他植株性状无明显变化。总之，这些结果表明，KRN2/OsKRN2等位基因功能的完全丧失可以提高籽粒产量，同时对其他农艺性状没有明显的负面影响。

从形态上看，今天栽培的玉米和水稻与它们的祖先有很大不同，表现出一种“驯化特征”，包括种子传播能力的丧失，种子休眠的减少，种子的数量、大小和重量的增加。因此，研究玉米和水稻在整个基因组中的分子趋同程度是非常必要的，它可以揭示选择作用于同源基因对的频率。

通过比较玉米与其野生近缘植物大刍草，他们确定了69.6 Mb的选定基因组区域，覆盖了玉米基因组的3.3%，包含3163个基因，并确定了两个典型的驯化基因：控制分枝的tb1和控制石果形成的TGA 1；在水稻中，也鉴定了16个已知的选择基因，包括影响生长习性的PROG1和决定花序结构的OsLG1。

最后，通过比较这两类数据集，他们在玉米和水稻中识别出了490对具有明显趋同选择的同源基因，这比预期的要多得多。对这些同源基因的进一步表征可以为人类提供谷物性状选择过程的新见解，进而加速改良作物品种的开发。(100yiyao.com)

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