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今日《科学》:提高玉米和水稻产量,中国科研团队找到关键基因

科技 7个月前 社科兔
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  玉米和水稻是全世界范围内最重要的两种经济作物。今日,来自中国育种专家的一项重要成果在顶尖学术期刊《科学》发表,为开发产量更高的玉米和水稻品种带来了振奋人心的消息。

  在这项研究中,由中国农业大学的杨小红教授、李建生教授和华中农业大学的严建兵教授领衔的团队,在两种作物中找到了一个影响产量的关键基因。田间试验显示,敲除这个基因后,玉米和水稻的谷物产量分别增加10%和8%,而且对其他农艺性状没有任何明显的负面影响。

今日《科学》:提高玉米和水稻产量,中国科研团队找到关键基因

  这一发现来自科研人员对玉米和水稻驯化过程的分析。人类对这两种禾本科植物的驯化栽培大约从近10000年前就开始了,为了满足人类的需求,它们如今在很多形态、生理特征上与其野生祖先显得很不一样。

  尽管玉米和水稻各自走过的驯化道路不同,但作为备受人类青睐的农作物,它们出现了一些共同的变化,比如:种子成熟后不像野生祖先那样自动脱落(方便了人类收割);种子休眠减少(有利于同一时间萌发和收割);植株上的籽粒数量更多或颗粒更大(满足我们对高产的要求)。

  科学家们由此推断,这两种作物驯化出来的共同特征,背后可能是由保守的基因驱动的。如果是这样,找到这类经过趋同选择的关键基因,并在育种计划中针对这些基因进行操作,可以开发改良的作物品种。

今日《科学》:提高玉米和水稻产量,中国科研团队找到关键基因

  根据这一思路,研究团队首先在玉米及其野生近缘种大刍草(teosinte)的全基因组范围内进行了探索,寻找控制玉米籽粒数量的基因。通过对基因组区域精细定位,他们找到了一个候选基因KRN2(kernel row number2)。这个基因在栽培玉米和野生大刍草之间存在差异,与一根玉米棒子上有多少排籽粒有关,因此对玉米产量有很大影响。

  而在水稻中,正如研究人员所猜测的那样,他们找到了KRN2的同源基因OsKRN2。这个基因同样从栽培稻到野生稻经历了选择,并且OsKRN2调节的也是水稻产量的一个决定因素:水稻穗的二级分枝(secondary branch)数量。

今日《科学》:提高玉米和水稻产量,中国科研团队找到关键基因

  ▲在全基因组范围内,研究人员鉴定出了玉米和水稻经历趋同选择的490对种间同源基因,包括玉米的KRN2及其水稻同源基因OsKRN2(图片来源:参考资料[1])

  进一步分析显示,这一对同源基因都编码WD40蛋白,并与另一个功能未知的基因DUF1644相互作用,对两种作物的籽粒数量起着负调控作用。也就是说,敲除这一基因,可以通过增加玉米籽粒行数和增加水稻穗的二级分枝数,分别提高玉米和水稻的籽粒数。而这一结果分别在基因编辑实验和田间试验中得到了验证。

今日《科学》:提高玉米和水稻产量,中国科研团队找到关键基因

  ▲在内蒙古巴彦淖尔、海南三亚、辽宁铁岭的多次田间对照试验表明,KRN2基因编辑玉米和OsKRN2基因编辑水稻产量增加(图片来源:参考资料[1])

  值得一提的是,包括KRN2、OsKRN2这对种间同源基因在内,研究团队一共鉴定出了490对种间同源基因在玉米和水稻的驯化过程中经历了趋同选择。对这些基因的深入了解,有望为作物的育种工作提供更多的洞见,加快玉米和水稻种质创新,还可以为从头驯化新作物提供信息,满足全球粮食生产的多样化需求。

  参考资料:

  [1] Wenkang Chen et al。, (2022) Convergent selection of a WD40 protein that enhances grain yield in maize and rice。 Science Doi: https://doi.org/10.1126/science.abg7985

  本文来自药明康德内容微信团队

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