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

玉米和水稻是今日键基全世界范围内最重要的两种经济作物。今日，科学来自中国育种专家的提高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研团因玉米和水稻品种带来了振奋人心的消息。

在这项研究中，和水由中国农业大学的稻产队找到关杨小红教授、李建生教授和华中农业大学的量中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国科关键基因。田间试验显示，今日键基敲除这个基因后，科学玉米和水稻的提高谷物产量分别增加10%和8%，而且对其他农艺性状没有任何明显的玉米研团因负面影响。

这一发现来自科研人员对玉米和水稻驯化过程的和水分析。人类对这两种禾本科植物的稻产队找到关驯化栽培大约从近10000年前就开始了，为了满足人类的量中需求，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。

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。

▲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。

▲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

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