3月25日，《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了研究論文“Convergent selection of a WD40 protein that enhances grain yield in maize and rice”（《一個趨同選擇基因WD40能同時提高玉米和水稻產(chǎn)量》）。

該論文發(fā)現(xiàn)，玉米KRN2和水稻OsKRN2受到趨同選擇并通過相似的途徑調(diào)控玉米和水稻的產(chǎn)量。通過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，并且對其他農(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。

論文在線截圖

該論文由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)李建生、楊小紅團隊，與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)嚴建兵團隊聯(lián)合完成。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點實驗室副主任、湖北洪山實驗室常務(wù)副主任，首席科學(xué)家嚴建兵對第一財經(jīng)記者表示，該研究的最重大意義在于WD40基因的發(fā)現(xiàn)，并從全基因組層面，對作物趨同的機制進行了回答，為未來作物育種奠定重要理論基礎(chǔ)。

在此基礎(chǔ)上，聯(lián)合研究團隊發(fā)現(xiàn)了控制玉米、水稻產(chǎn)量的“高產(chǎn)基因”。嚴建兵稱，這有可能使玉米、水稻單產(chǎn)得到大幅度提高，對保障國家糧食安全將有著重大價值和現(xiàn)實意義。目前，聯(lián)合研究團隊正在向這方面努力，爭取做更大范圍的試驗，放在更多條件、背景下來檢測效果。“玉米KRN2基因與水稻OsKRN2基因?qū)儆谕椿?，這兩個基因是以前沒有被科學(xué)界發(fā)現(xiàn)的，如今被中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，并已經(jīng)申請國際專利。這意味著，如果外國企業(yè)今后要使用這個專利需要向中國付錢。事實上，已經(jīng)有國內(nèi)外公司跟我們團隊聯(lián)系了。《科學(xué)》雜志剛才還專門刊發(fā)文章，展望是否可以應(yīng)用于小麥作物。”

古代人類在大約一萬年前開始馴化動植物，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。比如，玉米的原產(chǎn)地是墨西哥，水稻的原產(chǎn)地是中國。嚴建兵稱，這三大作物在長期的改良和選擇過程中，到底發(fā)生了什么，是否遵循共同的遺傳規(guī)律，這是一個重大的基礎(chǔ)科學(xué)問題，對作物的遺傳改良有著重要的實踐意義。“論文研究成果，給出了遺傳規(guī)律層面的科學(xué)回答。”

玉米和水稻趨同選擇的分子機制

聯(lián)合研究團隊采用基因組學(xué)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(dǎo)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(dǎo)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)。

嚴建兵表示，WD40基因以及其它鑒定到的489對經(jīng)歷趨同選擇的同源基因?qū)?，從全基因組層面回答了多年來科學(xué)界的關(guān)切，讓科學(xué)界認識到玉米和水稻存在趨同選擇的遺傳規(guī)律。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。

他說，由于發(fā)現(xiàn)了作物的遺傳規(guī)律，也就意味著這是可以“觸類旁通”的。至于大豆，是否有同樣的指導(dǎo)意義，希望科學(xué)家能夠繼續(xù)跟進。“今天上午，就有研究蔬菜的科學(xué)家發(fā)信息稱，該研究成果給予他們啟發(fā)。”當然，這只是一個階段性研究成果，也不能期待其解決作物改良的所有問題，科學(xué)研究永無止境，如果能給后來人帶來啟發(fā)和洞見，就已經(jīng)是很大的進步了。

基因編輯KRN2 可以同時提高玉米和水稻的產(chǎn)量

尤為值得關(guān)注的是，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。嚴建兵解釋稱，KRN2和OsKRN2基因在所有的材料中都有，對作物產(chǎn)量有抑制作用，運用基因編輯這種“超級手術(shù)刀”將其敲除，而且這種操作很容易做到，最終實現(xiàn)產(chǎn)量提高。最為重要的是，對作物不會產(chǎn)生其它農(nóng)藝性狀的明顯負面影響。

他表示，從增產(chǎn)機制來講，轉(zhuǎn)基因技術(shù)是在作物中轉(zhuǎn)入外源基因，讓其獲得某種性狀，從而實現(xiàn)抗蟲、抗除草劑，減少作物產(chǎn)量損失，提高勞動生產(chǎn)效率；基因編輯技術(shù)，則是通過敲除抑制作物產(chǎn)量的基因，達到增產(chǎn)的目的。不過，無論是基因編輯，還是轉(zhuǎn)基因，都只是工具。最關(guān)鍵的仍然是上游的基因突破，是否發(fā)現(xiàn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、有重大價值的基因。

嚴建兵提到，今后，“高產(chǎn)基因”在什么條件下可以使用，如何有助于增產(chǎn)，將是下一步需要繼續(xù)研究的課題。

標簽： 基因編輯 高產(chǎn)基因