最新研究成果解析玉米重要產(chǎn)量基因（2020.2.22 南湖新聞網(wǎng)）

2月20日，華中農(nóng)業(yè)玉米研究團隊張祖新教授課題組在Nature子刊《Nature Communications》在線發(fā)表題為“A serine/threonine protein kinase encoding gene KERNEL NUMBER PER ROW6 regulates maize grain yield”的文章，證實了一個編碼絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶的基因KNR6 （KERNEL NUMBER PER ROW6），該基因通過影響雌穗小花數(shù)目、穗長和行粒數(shù)進而控制玉米產(chǎn)量。在不同遺傳背景的雜交種中導入有利等位基因可增加4.3–19.1%的穗粒數(shù)，增強表達KNR6也可顯著提高玉米雜交種籽粒產(chǎn)量。研究還發(fā)現(xiàn)，KNR6與Arf-GTPase激活蛋白（AGAP）互作并磷酸化AGAP，通過調(diào)節(jié)花序發(fā)育而影響穗長和行粒數(shù)。該研究結(jié)果有助于解析玉米穗粒數(shù)形成的分子機制，為提高玉米雜交種產(chǎn)量提供了理論依據(jù)和基因資源。

玉米（Zea mays L.）是當今世界重要的糧食、飼料、工業(yè)原料和能源作物，在保障世界糧食安全、經(jīng)濟發(fā)展及緩解能源危機等方面作用巨大。玉米籽粒是經(jīng)濟發(fā)展的重大需求，也是遺傳育種學科的重大研究課題。近一個世紀來，通過育種家的不懈努力，玉米單位面積籽粒產(chǎn)量提高了6～8倍，但是，我們至今對玉米遺傳改良過程中所選擇基因或位點知之甚少。

張祖新教授課題組基于圖位克隆策略，首次克隆了一個控制玉米穗長、每行籽粒數(shù)和籽粒產(chǎn)量的QTL。研究發(fā)現(xiàn)，候選基因KNR6編碼一個絲氨酸蘇氨酸類受體蛋白激酶，并且該基因5-UTR區(qū)域的一個Harbinger-like轉(zhuǎn)座子插入缺失變異和基因5.1kb上游區(qū)域的一個長末端重復逆轉(zhuǎn)座子（LTR）的插入缺失變異可引起KNR6的調(diào)控區(qū)域的甲基化水平的改變，進而導致KNR6表達水平的改變。而KNR6的表達水平與玉米自交系果穗長度和每行籽粒數(shù)正相關(guān)。借助分子標記輔助選擇，將KNR6增效等位基因型置換四個自交系的減效等位基因型，導致穗長和行粒數(shù)增加，且改良版的鄭單958籽粒產(chǎn)量比其改良前提高5.6%。在不同遺傳背景的雜交種中導入增效等位基因可增加4.3–19.1%的穗粒數(shù)，過表達KNR6也可顯著提高玉米雜交種籽粒產(chǎn)量。

研究還發(fā)現(xiàn)，KNR6具有自磷酸化和磷酸化的活性，可通過磷酸化其互作蛋白AGAP進而調(diào)控花序分化，這是一個重要的理論發(fā)現(xiàn)。結(jié)合KNR6蛋白的磷酸化功能，從蛋白質(zhì)磷酸化組學解析KNR6可能參與的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并從分子生物學等層面探明KNR6在玉米花序發(fā)育控制中的生物學機制，可為闡明玉米穗粒數(shù)形成的遺傳機制及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。

華中農(nóng)業(yè)大學作物遺傳改良國家重點實驗室博士研究生賈海濤、李曼菲和中國農(nóng)業(yè)大學李威亞博士為論文共同第一作者，張祖新教授為通訊作者。中國農(nóng)業(yè)大學楊小紅教授、美國美國冷泉港實驗室Dave Jackson教授也合作參與了本論文撰寫工作。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金等項目的資助。