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殊途同归:揭示玉米和水稻趋同选择的奥秘

科技资讯 时间:2022-03-30 16:11:35 作者:莫敖坤
【http://www.globalcon.cn - 中国农业科技网】

  2022年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“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,并通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。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。

 

  大约一万年前,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,农业文明开始。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?这是一个重大的基础科学问题,对作物的遗传改良也有重要的实践意义。

 

  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了系统的研究。首先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,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。

 

  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10%的玉米产量和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。

 

  作物遗传改良国家重点实验室、湖北洪山实验室严建兵教授和中国农大李建生和杨小红教授,为该论文的共同通讯作者。华中农业大学博士生陈露(现为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的共同第一作者,两校团队的多位学生和博士后,以及我校讲座教授David Jackson和杨芳教授,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教授等多个实验室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、“十三五”国家重点研发计划等项目资助。

 

  论文链接: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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