中国农业大学李建生和杨小红团队联合华中农业大学严建兵团队《科学》杂志发表论文——发现提高玉米和水稻产量关键基因，揭示玉米和水稻趋同选择遗传规律

2022年3月25日，《科学》杂志在线发表了中国农业大学李建生和杨小红团队联合华中农业大学严建兵团队的研究论文“Convergent selection of a WD40 protein that enhances grain yield in maize and rice”。研究发现玉米KRN2和水稻OsKRN2受到趋同选择并通过相似的途径调控玉米和水稻的产量，同时在全基因组水平上解析了玉米和水稻驯化和改良过程中趋同选择的遗传规律。该研究为作物驯化的机理解析和未来作物育种奠定了重要理论基础。

图1：Science截图

大约一万年前，古代人类开始驯化动植物，人类生活方式逐步从狩猎为主过度到农耕时代。玉米、水稻和小麦是迄今驯化最为成功的三大农作物，为全球人类提供了50%以上的能量摄入。这些作物驯化发生在地球的不同地区，祖先类型各不相同，形态和生长习性各异。它们在长期的改良和选择过程中，发生了什么，是否遵循了共同的遗传规律？一直是一个重大的基础科学问题，对作物的遗传改良具有重要的理论和实践意义。

中国农大和华中农大的联合研究团队历经18年，从遗传学和基因组学两个层面持续系统开展了玉米和水稻重要产量性状驯化机理的研究。首先利用野生玉米资源创制了特异的穗行数为6行的玉米材料，采用基因组学技术鉴定了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了明显的选择，导致基因表达量降低，进而增加了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，该基因也同样受到了选择。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负调控玉米穗行数与水稻枝梗数。

进一步，该研究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了深入解析，共检测到了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，而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的信息。

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敲除系可分别提高约10%的玉米产量和约8%的水稻产量，并且对其它农艺性状没有明显的负面影响，展现了巨大的应用潜力。

图2：玉米和水稻趋同选择的分子机制及产量基因增产效果

中国农大杨小红、李建生教授，华中农大严建兵教授为该论文的共同通讯作者。中国农大博士后陈文康、博士生张璇，华中农大博士生陈露、杨宁教授为该论文的共同第一作者。两校团队的多位学生和博士后，以及华中农大杨芳教授，美国冷泉港国家实验室David Jackson教授，扬州大学陈赛华教授，中国农大孙传清、秦峰和田丰教授，德国马普分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授等共同参与了该项工作。该研究得到了国家自然科学基金重大研究计划、国家自然科学基金创新群体、国家重点研发计划、北京卓越青年科学家计划、中国科协青年托举工程、美国自然科学基金等项目资助。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg7985 

责任编辑：张莹