Science：我国科学家领衔揭示关闭玉米和水稻中的KRN2/OsKRN2基因可提高作物产量

2022年3月29日讯/生物谷BIOON/---在谷类植物进化的独立过程中，许多性状的转变似乎是在趋同选择下进行的，以满足人类的特殊需要。识别不同谷类植物的趋同选择的基因可能有助于阐明作物物种的进化并加速育种计划。在过去的几十年中，科学家们一直在争论不同作物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。作为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---包括种子散播、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类植物之间趋同选择的程度。

尽管发现了一些趋同选择的基因，但是人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直系同源基因（orthologous gene）的频率，来自中国农业大学、中国科学院、华中农业大学、湖北洪山实验室、扬州大学和德国马克斯-普朗克分子植物生理学研究所的研究人员在一项新的研究中研究了玉米中的籽粒产量（grain yield）数量性状基因位点KRN2和其水稻直系同源基因OsKRN2的功能和分子进化。这些作者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。相关研究结果发表在2022年3月25日的Science期刊上，论文标题为“Convergent selection of a WD40 protein that enhances grain yield in maize and rice”。

在玉米和水稻中共同选择的直系同源基因，用于在驯化和改良期间的趋同表型转变。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abg7985。

这些作者确定了一个趋同选择的基因KRN2（kernel row number2），该基因在驯化的玉米和它的野生祖先teosinte之间存在差异。这个基因构成玉米籽粒行数的一个主要数量性状基因位点。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。水稻的同源基因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籽粒数量。KRN2及其在水稻中的同源基因OsKRN2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籽粒数量。田间试验表明，利用CRISPR基因编辑技术在玉米中敲除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牺牲。这表明KRN2及其同源基因在作物改良中的潜在应用。

在全基因组范围内，这些作者确定了一组490个直系同源基因在玉米和水稻进化过程中经历趋同选择，包括KRN2/OsKRN2。他们发现，趋同选择的直系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针对特定选择的基因网络的保守性和复杂性有关。

综上所述，这些研究结果表明，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上是由趋同选择驱动的，而且在玉米和水稻中，趋同选择可能是在驯化过程中和驯化后发生的。这些作者提供了关于玉米和水稻中KRN2/OsKRN2对籽粒数量的趋同选择的进化和功能证据。他们进一步发现，功能完全丧失的KRN2/OsKRN2等位基因可以增加籽粒产量，而对其他农艺性状没有明显的负面影响。探索KRN2/OsKRN2和其他谷类植物中的趋同选择基因的作用可能为提高其他全球作物的产量提供新的机会。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Wenkang Chen et al. Convergent selection of a WD40 protein that enhances grain yield in maize and rice. Science, 2022, doi:10.1126/science.abg7985.