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中国科研团队发现玉米、水稻“高产基因”,拥有自主知识产权

第一财经 2022-03-25 14:37:07 听新闻

作者:邵海鹏    责编:计亚

“高产基因”的发现,展现了巨大的应用潜力,可以提高10%的玉米产量和8%的水稻产量,并且对其它农艺性状没有明显的负面影响。

3月25日,《科学》杂志在线发表了研究论文“Convergent selection of a WD40 protein that enhances grain yield in maize and rice”(《一个趋同选择基因WD40能同时提高玉米和水稻产量》)。

该论文发现,玉米KRN2和水稻OsKRN2受到趋同选择并通过相似的途径调控玉米和水稻的产量。通过多年多点的田间小区试验表明,玉米KRN2敲除系和水稻OsKRN2敲除系可分别提高10%的玉米产量和8%的水稻产量,并且对其他农艺性状没有明显的负面影响,展现了巨大的应用潜力。

论文在线截图

该论文由中国农业大学李建生、杨小红团队,与华中农业大学严建兵团队联合完成。华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室副主任、湖北洪山实验室常务副主任,首席科学家严建兵对第一财经记者表示,该研究的最重大意义在于WD40基因的发现,并从全基因组层面,对作物趋同的机制进行了回答,为未来作物育种奠定重要理论基础。

在此基础上,联合研究团队发现了控制玉米、水稻产量的“高产基因”。严建兵称,这有可能使玉米、水稻单产得到大幅度提高,对保障国家粮食安全将有着重大价值和现实意义。目前,联合研究团队正在向这方面努力,争取做更大范围的试验,放在更多条件、背景下来检测效果。“玉米KRN2基因与水稻OsKRN2基因属于同源基因,这两个基因是以前没有被科学界发现的,如今被中国科学家发现,拥有自主知识产权,并已经申请国际专利。这意味着,如果外国企业今后要使用这个专利需要向中国付钱。事实上,已经有国内外公司跟我们团队联系了。《科学》杂志刚才还专门刊发文章,展望是否可以应用于小麦作物。”

古代人类在大约一万年前开始驯化动植物,玉米、水稻和小麦是迄今驯化最为成功的三大农作物,为全球人类提供了50%以上的能量摄入。这些作物驯化发生在地球的不同地区,祖先各不相同,形态和生长习性各异。比如,玉米的原产地是墨西哥,水稻的原产地是中国。严建兵称,这三大作物在长期的改良和选择过程中,到底发生了什么,是否遵循共同的遗传规律,这是一个重大的基础科学问题,对作物的遗传改良有着重要的实践意义。“论文研究成果,给出了遗传规律层面的科学回答。”

玉米和水稻趋同选择的分子机制

联合研究团队采用基因组学技术鉴定了一个调控玉米穗行数的基因KRN2。进一步发现在玉米驯化和改良过程中,该基因上游非编码区受到了明显的选择,导致基因表达量降低,进而增加了玉米的穗行数和穗粒数,最终增加产量。同时在水稻基因组中鉴定出玉米KRN2同源基因OsKRN2,该基因控制水稻的二次枝梗数,最终影响穗粒数和产量。在栽培稻驯化和改良过程中,该基因也同样受到了选择,导致基因表达量降低。KRN2/OsKRN2编码一种WD40蛋白,它与功能未知蛋白DUF1644互作,通过一条保守的途径调控玉米穗行数与水稻穗粒数。

严建兵表示,WD40基因以及其它鉴定到的489对经历趋同选择的同源基因对,从全基因组层面回答了多年来科学界的关切,让科学界认识到玉米和水稻存在趋同选择的遗传规律。这些结果不仅有助于深入认识和理解农作物的进化和改良过程,而且对加速作物的育种进程和为从头驯化创制新型作物提供有价值的信息。

他说,由于发现了作物的遗传规律,也就意味着这是可以“触类旁通”的。至于大豆,是否有同样的指导意义,希望科学家能够继续跟进。“今天上午,就有研究蔬菜的科学家发信息称,该研究成果给予他们启发。”当然,这只是一个阶段性研究成果,也不能期待其解决作物改良的所有问题,科学研究永无止境,如果能给后来人带来启发和洞见,就已经是很大的进步了。

基因编辑KRN2 可以同时提高玉米和水稻的产量

尤为值得关注的是,该研究还利用基因编辑技术创制了KRN2和OsKRN2基因功能敲除的新材料。严建兵解释称,KRN2和OsKRN2基因在所有的材料中都有,对作物产量有抑制作用,运用基因编辑这种“超级手术刀”将其敲除,而且这种操作很容易做到,最终实现产量提高。最为重要的是,对作物不会产生其它农艺性状的明显负面影响。

他表示,从增产机制来讲,转基因技术是在作物中转入外源基因,让其获得某种性状,从而实现抗虫、抗除草剂,减少作物产量损失,提高劳动生产效率;基因编辑技术,则是通过敲除抑制作物产量的基因,达到增产的目的。不过,无论是基因编辑,还是转基因,都只是工具。最关键的仍然是上游的基因突破,是否发现具有自主知识产权、有重大价值的基因。

严建兵提到,今后,“高产基因”在什么条件下可以使用,如何有助于增产,将是下一步需要继续研究的课题。

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