持續攻關十八載 我國科研人員找到玉米水稻增產秘訣

2022-03-25 18:52:34 來源: 科技日報 作者: 吳純新 陳文康 楊寧

科技日報記者 吳純新 通訊員 陳文康 楊寧

3月25日,《科學》雜志在線發表了華中農業大學嚴建兵團隊聯合中國農業大學李建生和楊小紅團隊的研究論文,該研究發現玉米KRN2、水稻OsKRN2基因受到趨同選擇并通過相似途徑調控玉米和水稻產量,經過全基因組選擇分析解析了玉米和水稻趨同選擇的遺傳規律。

這項研究為作物馴化的機理解析和未來作物育種奠定重要理論基礎。

大約一萬年前,農業文明開始,古代人類開始馴化動植物,人類生活方式從狩獵逐步過渡到農耕。玉米、水稻和小麥是迄今馴化最為成功的三大農作物,這些作物馴化發生在全球不同地區,祖先各不相同,形態和生長習性各異。它們在長期改良和選擇過程中,發生了什么,是否遵循共同的遺傳規律?

這是一個重大基礎科學問題,對作物遺傳改良具有重要實踐意義。

為此,中國農大和華中農大的聯合研究團隊歷經18年,師生三代人圍繞這個問題持續攻關,從基因和基因組兩個層面進行系統研究。

研究人員利用野生玉米資源創制了特異的6行玉米材料,采用基因組學技術鑒定一個調控玉米穗行數的基因KRN2。進一步發現在玉米馴化和改良過程中,該基因上游非編碼區受到明顯選擇,導致基因表達量降低,進而增加玉米的穗行數和穗粒數,最終增加產量。

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,最終影響穗粒數和產量。在栽培稻馴化和改良過程中,該基因也同樣受到選擇,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控玉米穗行數與水稻穗粒數。

隨后,研究團隊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深入解析,共檢測到490對經歷了趨同選擇的同源基因對。這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,是影響籽粒產量的重要因素。這些結果不僅有助于深入認識和理解農作物的進化和改良過程,且對加速作物的育種進程和為從頭馴化創制新型作物提供有價值信息。

據介紹,該研究還利用基因編輯技術創制了KRN2和OsKRN2基因功能敲除的新材料。多年多點的田間小區試驗表明,玉米KRN2敲除系和水稻OsKRN2敲除系可分別提高10%的玉米產量和8%的水稻產量,且對其農藝性狀沒有明顯負面影響,展現出巨大的應用潛力。

據悉,湖北洪山實驗室嚴建兵教授和中國農大李建生、楊小紅教授,為該論文共同通訊作者。華中農大博士生陳露(現中科院遺傳所博士后),楊寧教授和中國農大博士后陳文康,博士研究生張璇為該論文共同第一作者。該研究得到國家自然科學基金重大研究計劃、“十三五”國家重點研發計劃等項目資助。

受訪者供圖

責任編輯: 陳可軒
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