Science | 重磅！中国农大/华中农大研究揭示利用趋同选择的同源基因提高作物产量的遗传机制！

在谷物进化的独立过程中，许多性状的转变似乎是为了满足人类的特殊需要而进行的趋同选择。识别不同谷物的趋同选择基因有助于澄清作物物种的进化，并加速育种计划。在过去的几十年中，研究人员一直在争论不同品系中的趋同表型选择是由保守的分子变化还是由不同的分子途径驱动。两种最重要的经济作物，玉米和水稻，在进化过程中显示出一些保守的表型变化--包括种子落粒、种子休眠的减少和谷物数量的增加，尽管它们经历了独立的选择。因此，玉米和水稻可以作为一个很好的系统来了解谷物之间趋同选择的程度。尽管发现了一些趋同选择的基因，但我们对玉米和水稻之间在全基因组范围内的分子趋同程度的了解是非常有限的。为了了解选择作用于同源基因的频率，科研人员研究了玉米中的粮食产量定量性状位点KRN2和其水稻正交基因OsKRN2的功能和分子进化。本研究还利用两个大型数据集，在玉米和水稻的全基因组范围内确定了趋同选择的基因。

2022年3月25日，国际顶级学术期刊Science发表了中国农业大学杨小红教授/李建生教授团队及华中农业大学严建兵教授团队的最新相关研究成果，题为Convergent selection of a WD40 protein that enhances grain yield in maize and rice的研究论文。

本研究确定了一个选定的基因KRN2，它在驯化的玉米和它的野生祖先类玉米之间存在差异。该基因是玉米籽粒行数的主要数量性状位点的基础。在非编码上游区域的选择导致了KRN2表达的减少，并通过增加籽粒行数而增加了籽粒数。水稻的同源物OsKRN2也经历了选择，并通过控制二级圆锥花序的分枝来负向调节谷物数量。这些直系亲属编码WD40蛋白，并与一个功能未知的基因DUF1644协同作用，这表明保守的蛋白相互作用控制了玉米和水稻的粒数。田间试验表明，在玉米中敲除KRN2或在水稻中敲除OsKRN2可分别增加粮食产量约10%和约8%，而在其他农艺性状方面没有明显的折衷。这表明KRN2及其同源物在作物改良中的潜在应用。在全基因组范围内，科研人员确定了一套490个在玉米和水稻进化过程中经历趋同选择的直系基因，包括KRN2/OsKRN2。结果发现，趋同选择的同源基因似乎在玉米和水稻的两个特定途径中明显富集：淀粉和蔗糖代谢，以及辅助因子的生物合成。对淀粉代谢途径中趋同选择的基因的深入分析表明，通过趋同选择的遗传趋同程度与特定选择的基因网络的保存和复杂性有关。本研究结果表明，在玉米和水稻进化过程中作用于保守基因的共同表型转变至少部分是由趋同选择驱动的，在玉米和水稻中，趋同选择可能在驯化过程中和驯化后都发生过。本研究提供了关于玉米和水稻之间KRN2/OsKRN2对谷粒数的趋同选择的进化和功能证据。进一步发现，KRN2/OsKRN2的功能完全丧失的等位基因可以增加粮食产量，而对其他农艺性状没有明显的负面影响。探索KRN2/OsKRN2和其他谷物中的趋同选择基因的作用可以为提高其他全球作物的产量提供新的机会。

图. 玉米和水稻在驯化和改良过程中共同选择的表型转变的同源基因

图. OsKRN2 是水稻中的一个选定基因，对籽粒数量有贡献

图. 玉米和水稻的趋同选择概述

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