3月25日，《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)嚴(yán)建兵團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)李建生和楊小紅團(tuán)隊(duì)的研究論文，該研究發(fā)現(xiàn)玉米KRN2、水稻OsKRN2基因受到趨同選擇并通過(guò)相似途徑調(diào)控玉米和水稻產(chǎn)量，經(jīng)過(guò)全基因組選擇分析解析了玉米和水稻趨同選擇的遺傳規(guī)律。
這項(xiàng)研究為作物馴化的機(jī)理解析和未來(lái)作物育種奠定重要理論基礎(chǔ)。
這是一個(gè)重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，對(duì)作物遺傳改良具有重要實(shí)踐意義。
為此，中國(guó)農(nóng)大和華中農(nóng)大的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)18年，師生三代人圍繞這個(gè)問(wèn)題持續(xù)攻關(guān)，從基因和基因組兩個(gè)層面進(jìn)行系統(tǒng)研究。
研究人員利用野生玉米資源創(chuàng)制了特異的6行玉米材料，采用基因組學(xué)技術(shù)鑒定一個(gè)調(diào)控玉米穗行數(shù)的基因KRN2。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在玉米馴化和改良過(guò)程中，該基因上游非編碼區(qū)受到明顯選擇，導(dǎo)致基因表達(dá)量降低，進(jìn)而增加玉米的穗行數(shù)和穗粒數(shù)，最終增加產(chǎn)量。
同時(shí)，在水稻基因組中鑒定出玉米KRN2同源基因OsKRN2，該基因控制水稻的二次枝梗數(shù)，最終影響穗粒數(shù)和產(chǎn)量。在栽培稻馴化和改良過(guò)程中，該基因也同樣受到選擇，導(dǎo)致基因表達(dá)量降低。KRN2、OsKRN2編碼一種WD40蛋白，它與功能未知蛋白DUF1644互作，通過(guò)一條保守的途徑調(diào)控玉米穗行數(shù)與水稻穗粒數(shù)。
隨后，研究團(tuán)隊(duì)在全基因組水平上對(duì)玉米和水稻趨同選擇的范圍和機(jī)制進(jìn)行深入解析，共檢測(cè)到490對(duì)經(jīng)歷了趨同選擇的同源基因?qū)Α＿@些基因在淀粉及蔗糖代謝和輔因子生物合成等途徑中顯著富集。
淀粉是谷物類植物在種子中存儲(chǔ)能量的主要成分，也是水稻和玉米能夠被馴化成主要糧食作物的重要原因，是影響籽粒產(chǎn)量的重要因素。這些結(jié)果不僅有助于深入認(rèn)識(shí)和理解農(nóng)作物的進(jìn)化和改良過(guò)程，且對(duì)加速作物的育種進(jìn)程和為從頭馴化創(chuàng)制新型作物提供有價(jià)值信息。
據(jù)介紹，該研究還利用基因編輯技術(shù)創(chuàng)制了KRN2和OsKRN2基因功能敲除的新材料。多年多點(diǎn)的田間小區(qū)試驗(yàn)表明，玉米KRN2敲除系和水稻OsKRN2敲除系可分別提高10%的玉米產(chǎn)量和8%的水稻產(chǎn)量，且對(duì)其它農(nóng)藝性狀沒(méi)有明顯負(fù)面影響，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
據(jù)悉，湖北洪山實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)建兵教授和中國(guó)農(nóng)大李建生、楊小紅教授，為該論文共同通訊作者。華中農(nóng)大博士生陳露（現(xiàn)中科院遺傳所博士后），楊寧教授和中國(guó)農(nóng)大博士后陳文康，博士研究生張璇為該論文共同第一作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃、“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目資助。
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