2022年3月29日訊/生物谷BIOON/---在谷類植物進(jìn)化的獨(dú)立過(guò)程中，許多性狀的轉(zhuǎn)變似乎是在趨同選擇下進(jìn)行的，以滿足人類的特殊需要。識(shí)別不同谷類植物的趨同選擇的基因可能有助于闡明作物物種的進(jìn)化并加速育種計(jì)劃。在過(guò)去的幾十年中，科學(xué)家們一直在爭(zhēng)論不同作物品系中的趨同表型選擇是由保守的分子變化還是由不同的分子途徑驅(qū)動(dòng)。作為兩種*重要的經(jīng)濟(jì)作物，玉米和水稻在進(jìn)化過(guò)程中顯示出一些保守的表型變化---包括種子散播、種子休眠的減少和谷物數(shù)量的增加，盡管它們經(jīng)歷了獨(dú)立的選擇。因此，玉米和水稻可以作為一個(gè)很好的系統(tǒng)來(lái)了解谷類植物之間趨同選擇的程度。
盡管發(fā)現(xiàn)了一些趨同選擇的基因，但是人們對(duì)玉米和水稻之間在全基因組范圍內(nèi)的分子趨同程度的了解是非常有限的。為了了解選擇作用于直系同源基因（orthologous gene）的頻率，來(lái)自中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室、揚(yáng)州大學(xué)和德國(guó)馬克斯-普朗克分子植物生理學(xué)研究所的研究人員在一項(xiàng)新的研究中研究了玉米中的籽粒產(chǎn)量（grain yield）數(shù)量性狀基因位點(diǎn)KRN2和其水稻直系同源基因OsKRN2的功能和分子進(jìn)化。這些作者還利用兩個(gè)大型數(shù)據(jù)集，在玉米和水稻的全基因組范圍內(nèi)確定了趨同選擇的基因。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年3月25日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Convergent selection of a WD40 protein that enhances grain yield in maize and rice”。
這些作者確定了一個(gè)趨同選擇的基因KRN2（kernel row number2），該基因在馴化的玉米和它的野生祖先teosinte之間存在差異。這個(gè)基因構(gòu)成玉米籽粒行數(shù)的一個(gè)主要數(shù)量性狀基因位點(diǎn)。在非編碼上游區(qū)域的選擇導(dǎo)致了KRN2表達(dá)的減少，并通過(guò)增加籽粒行數(shù)而增加了籽粒數(shù)。水稻的同源基因OsKRN2也經(jīng)歷了選擇，并通過(guò)控制二級(jí)圓錐花序的分枝來(lái)負(fù)向調(diào)節(jié)籽粒數(shù)量。KRN2及其在水稻中的同源基因OsKRN2編碼WD40蛋白，并與一個(gè)功能未知的基因DUF1644協(xié)同作用，這表明保守的蛋白相互作用控制了玉米和水稻的籽粒數(shù)量。田間試驗(yàn)表明，利用CRISPR基因編輯技術(shù)在玉米中敲除KRN2或在水稻中敲除OsKRN2可分別增加糧食產(chǎn)量約10%和約8%，而在其他農(nóng)藝性狀方面沒(méi)有明顯的犧牲。這表明KRN2及其同源基因在作物改良中的潛在應(yīng)用。
在全基因組范圍內(nèi)，這些作者確定了一組490個(gè)直系同源基因在玉米和水稻進(jìn)化過(guò)程中經(jīng)歷趨同選擇，包括KRN2/OsKRN2。他們發(fā)現(xiàn)，趨同選擇的直系同源基因似乎在玉米和水稻的兩個(gè)特定途徑中明顯富集：淀粉和蔗糖代謝，以及輔因子的生物合成。對(duì)淀粉代謝途徑中趨同選擇的基因的深入分析表明，通過(guò)趨同選擇的遺傳趨同程度與針對(duì)特定選擇的基因網(wǎng)絡(luò)的保守性和復(fù)雜性有關(guān)。
綜上所述，這些研究結(jié)果表明，在玉米和水稻進(jìn)化過(guò)程中作用于保守基因的共同表型轉(zhuǎn)變至少部分上是由趨同選擇驅(qū)動(dòng)的，而且在玉米和水稻中，趨同選擇可能是在馴化過(guò)程中和馴化后發(fā)生的。這些作者提供了關(guān)于玉米和水稻中KRN2/OsKRN2對(duì)籽粒數(shù)量的趨同選擇的進(jìn)化和功能證據(jù)。他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，功能完全喪失的KRN2/OsKRN2等位基因可以增加籽粒產(chǎn)量，而對(duì)其他農(nóng)藝性狀沒(méi)有明顯的負(fù)面影響。KRN2/OsKRN2和其他谷類植物中的趨同選擇基因的作用可能為提高其他全球作物的產(chǎn)量提供新的機(jī)會(huì)。（生物谷 Bioon.com）
