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。
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