持续攻关十八载 我国科研人员找到玉米水稻增产秘诀

• 2022-03-25 20:44:55 来源：科技日报

科技日报记者 吴纯新 通讯员 陈文康 杨宁

 

3月25日，《科学》杂志在线发表了华中农业大学严建兵团队联合中国农业大学李建生和杨小红团队的研究论文，该研究发现玉米KRN2、水稻OsKRN2基因受到趋同选择并通过相似途径调控玉米和水稻产量，经过全基因组选择分析解析了玉米和水稻趋同选择的遗传规律。

这项研究为作物驯化的机理解析和未来作物育种奠定重要理论基础。

大约一万年前，农业文明开始，古代人类开始驯化动植物，人类生活方式从狩猎逐步过渡到农耕。玉米、水稻和小麦是迄今驯化最为成功的三大农作物，这些作物驯化发生在全球不同地区，祖先各不相同，形态和生长习性各异。它们在长期改良和选择过程中，发生了什么，是否遵循共同的遗传规律？

这是一个重大基础科学问题，对作物遗传改良具有重要实践意义。

为此，中国农大和华中农大的联合研究团队历经18年，师生三代人围绕这个问题持续攻关，从基因和基因组两个层面进行系统研究。

研究人员利用野生玉米资源创制了特异的6行玉米材料，采用基因组学技术鉴定一个调控玉米穗行数的基因KRN2。进一步发现在玉米驯化和改良过程中，该基因上游非编码区受到明显选择，导致基因表达量降低，进而增加玉米的穗行数和穗粒数，最终增加产量。

同时，在水稻基因组中鉴定出玉米KRN2同源基因OsKRN2，该基因控制水稻的二次枝梗数，最终影响穗粒数和产量。在栽培稻驯化和改良过程中，该基因也同样受到选择，导致基因表达量降低。KRN2、OsKRN2编码一种WD40蛋白，它与功能未知蛋白DUF1644互作，通过一条保守的途径调控玉米穗行数与水稻穗粒数。

随后，研究团队在全基因组水平上对玉米和水稻趋同选择的范围和机制进行深入解析，共检测到490对经历了趋同选择的同源基因对。这些基因在淀粉及蔗糖代谢和辅因子生物合成等途径中显著富集。

淀粉是谷物类植物在种子中存储能量的主要成分，也是水稻和玉米能够被驯化成主要粮食作物的重要原因，是影响籽粒产量的重要因素。这些结果不仅有助于深入认识和理解农作物的进化和改良过程，且对加速作物的育种进程和为从头驯化创制新型作物提供有价值信息。

据介绍，该研究还利用基因编辑技术创制了KRN2和OsKRN2基因功能敲除的新材料。多年多点的田间小区试验表明，玉米KRN2敲除系和水稻OsKRN2敲除系可分别提高10%的玉米产量和8%的水稻产量，且对其他农艺性状没有明显负面影响，展现出巨大的应用潜力。

据悉，湖北洪山实验室严建兵教授和中国农大李建生、杨小红教授，为该论文共同通讯作者。华中农大博士生陈露（现中科院遗传所博士后），杨宁教授和中国农大博士后陈文康，博士研究生张璇为该论文共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金重大研究计划、“十三五”国家重点研发计划等项目资助。

（受访者供图）

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