2022年3月25日，中國農(nóng)業(yè)大學李建生/楊小紅團隊聯(lián)合華中農(nóng)業(yè)大學嚴建兵團隊在Science發(fā)表了題為Convergent selection of a WD40 protein that enhances grain yield in maize and rice的研究論文，從單基因和全基因組兩個層次系統(tǒng)解析了玉米和水稻趨同選擇 (convergent selection) 的遺傳基礎(chǔ)，在全基因組水平上解析了玉米和水稻趨同選擇的遺傳規(guī)律。

       大約一萬年前，古代人類開始馴化動植物，人類生活方式從狩獵逐步過度到農(nóng)耕，農(nóng)業(yè)文明開始。玉米、水稻和小麥是迄今馴化最為成功的三大農(nóng)作物，為全球人類提供了50%以上的能量攝入。這些作物馴化發(fā)生在地球的不同地區(qū)，祖先各不相同，形態(tài)和生長習性各異。它們在長期的改良和選擇過程中，發(fā)生了什么，是否遵循了共同的遺傳規(guī)律？這是一個重大的基礎(chǔ)科學問題，對作物的遺傳改良也有重要的實踐意義。

       中國農(nóng)大和華中農(nóng)大的聯(lián)合研究團隊歷經(jīng)18年，師生三代人圍繞這個問題持續(xù)攻關(guān)從基因和基因組兩個層面進行了系統(tǒng)的研究。首先利用野生玉米資源創(chuàng)制了特異的6行玉米材料，采用基因組學技術(shù)鑒定了一個調(diào)控玉米穗行數(shù)的基因KRN2。進一步發(fā)現(xiàn)在玉米馴化和改良過程中，該基因上游非編碼區(qū)受到了明顯的選擇，導致基因表達量降低，進而增加了玉米的穗行數(shù)和穗粒數(shù)，最終增加產(chǎn)量。同時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程中，該基因也同樣受到了選擇，導致基因表達量降低。KRN2/OsKRN2編碼一種WD40蛋白，它與功能未知蛋白DUF1644互作，通過一條保守的途徑調(diào)控玉米穗行數(shù)與水稻穗粒數(shù)。

       進一步，該研究在全基因組水平上對玉米和水稻趨同選擇的范圍和機制進行了深入解析，共檢測到了490對經(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識和理解農(nóng)作物的進化和改良過程，而且對加速作物的育種進程和為從頭馴化創(chuàng)制新型作物提供有價值的信息。

       此外，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。多年多點的田間小區(qū)試驗表明，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，并且對其它農(nóng)藝性狀沒有明顯的負面影響，展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。

圖：玉米和水稻趨同選擇的分子機制

       李家洋院士團隊對該成果評述時指出，這一研究成果不僅揭示了玉米KRN2與水稻OsKRN2趨同進化從而增加玉米與水稻產(chǎn)量的機制, 為育種提供了寶貴的遺傳資源, 而且在全基因組層面闡明了趨同進化的規(guī)律。隨著分子設(shè)計育種以及作物從頭馴化策略的發(fā)展，未來對不同作物間趨同選擇基因?qū)Φ纳钊虢馕? 將為農(nóng)藝性狀關(guān)鍵控制基因的解析與育種應(yīng)用, 以及對其它優(yōu)異野生植物進行快速再馴化或從頭馴化奠定重要理論基礎(chǔ)。

       中國農(nóng)大李建生和楊小紅教授，華中農(nóng)大、湖北洪山實驗室嚴建兵教授為該論文的共同通訊作者。中國農(nóng)大博士后陳文康，博士研究生張璇；華中農(nóng)大博士生陳露，楊寧教授為該論文的共同第一作者，國內(nèi)外多個團隊共同參與該項工作。該研究得到了國家自然科學基金重大研究計劃、“十三五”國家重點研發(fā)計劃等項目資助。

       （來源：BioArt植物 ）