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玉米和水稻是全世界范围内最重要的两种经济作物。今日，来自中国育种专家的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和水稻品种带来了振奋人心的消息。在这项研究中，由中国农业大学的杨小红教授、李建生教授和华中农业大学的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关键基因。田间试验显示，敲除这个基因后，玉米和水稻的谷物产量分别增加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分析。人类对这两种禾本科植物的驯化栽培大约从近10000年前就开始了，为了满足人类的需求，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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