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(gè)趨同選擇基因WD40能同時(shí)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(diǎn)的田間小區(qū)試驗(yàn)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(duì)其他農(nóng)藝性狀沒有明顯的負(fù)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(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)李建生、楊小紅團(tuán)隊(duì)，與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)嚴(yán)建兵團(tuán)隊(duì)聯(lián)合完成。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任，首席科學(xué)家嚴(yán)建兵對(duì)第一財(cái)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(duì)作物趨同的機(jī)制進(jìn)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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了控制玉米、水稻產(chǎn)量的“高產(chǎn)基因”。嚴(yán)建兵稱，這有可能使玉米、水稻單產(chǎn)得到大幅度提高，對(duì)保障國(guó)家糧食安全將有著重大價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。目前，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)正在向這方面努力，爭(zhēng)取做更大范圍的試驗(yàn)，放在更多條件、背景下來檢測(cè)效果。“玉米KRN2基因與水稻OsKRN2基因?qū)儆谕椿?，這兩個(gè)基因是以前沒有被科學(xué)界發(fā)現(xiàn)的，如今被中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)際專利。這意味著，如果外國(guó)企業(yè)今后要使用這個(gè)專利需要向中國(guó)付錢。事實(shí)上，已經(jīng)有國(guó)內(nèi)外公司跟我們團(tuán)隊(duì)聯(lián)系了?！犊茖W(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(dòng)植物，玉米、水稻和小麥?zhǔn)瞧耨Z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(zhǎng)習(xí)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(guó)。嚴(yán)建兵稱，這三大作物在長(zhǎng)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(gè)重大的基礎(chǔ)科學(xué)問題，對(duì)作物的遺傳改良有著重要的實(shí)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(jī)制

聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)采用基因組學(xué)技術(shù)鑒定了一個(gè)調(diào)控玉米穗行數(shù)的基因KRN2。進(jìn)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(dá)量降低，進(jìn)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(shí)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(dá)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(yán)建兵表示，WD40基因以及其它鑒定到的489對(duì)經(jīng)歷趨同選擇的同源基因?qū)Γ瑥娜蚪M層面回答了多年來科學(xué)界的關(guān)切，讓科學(xué)界認(rèn)識(shí)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(rèn)識(shí)和理解農(nóng)作物的進(jìn)化和改良過程，而且對(duì)加速作物的育種進(jìn)程和為從頭馴化創(chuàng)制新型作物提供有價(jià)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(jìn)。“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(dāng)然，這只是一個(gè)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(jìn)步了。

基因編輯KRN2 可以同時(shí)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(yán)建兵解釋稱，KRN2和OsKRN2基因在所有的材料中都有，對(duì)作物產(chǎn)量有抑制作用，運(yùn)用基因編輯這種“超級(jí)手術(shù)刀”將其敲除，而且這種操作很容易做到，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量提高。最為重要的是，對(duì)作物不會(huì)產(chǎn)生其它農(nóng)藝性狀的明顯負(fù)面影響。

他表示，從增產(chǎn)機(jī)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(shí)現(xiàn)抗蟲、抗除草劑，減少作物產(chǎn)量損失，提高勞動(dòng)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(dá)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(shí)產(chǎn)權(quán)、有重大價(jià)值的基因。

嚴(yán)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。