發(fā)現(xiàn)糧食增產(chǎn)秘訣？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)玉米和水稻增產(chǎn)基因

科普中國

據(jù)報(bào)道，北京時(shí)間3月25日凌晨，《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)的聯(lián)合科研成果，一個(gè)在玉米和水稻中都具有的關(guān)鍵基因被發(fā)現(xiàn)。試驗(yàn)表明，通過對(duì)該基因的編輯改良，有望能將玉米和水稻的產(chǎn)量分別提高10%和8%左右。

二合一基因，對(duì)玉米和水稻產(chǎn)量都有用，就差小麥了。可以說，這一發(fā)現(xiàn)，是全人類的福音。發(fā)表在了Science上，也是實(shí)至名歸！

今天就來說說這篇文章做的是什么。

其實(shí)題目簡明扼要的介紹了：Convergent selection of a WD40 protein that enhances grain yield in maize and rice就是，找到一種在玉米（Maize）和水稻（Rice）中可以增加產(chǎn)量的基因，從單基因和全基因組兩個(gè)層次系統(tǒng)解析了玉米和水稻趨同選擇。

下面來為大家介紹下這篇文章。

1. 民以食為天，食以種為先

記得前幾天網(wǎng)上還有個(gè)問題，如果全世界突然封鎖我們，我們能糧食自足嗎？其實(shí)盡管大家平時(shí)對(duì)糧食問題不關(guān)注，不過這幾年疫情以來，相信不少人無論是體會(huì)還是從新聞上看到了封禁可能帶來的食物匱乏問題，比起缺錢缺電，饑荒才是真正制約生命的。這還只是暫時(shí)的隔離，糧食總體上并沒有危機(jī)。但是，如果真的全國性缺糧了，那個(gè)時(shí)候，就不是短時(shí)間的問題了，就像電影《星際穿越》里人類面臨的問題就是糧食問題。

所以糧食危機(jī)，其實(shí)是一把沒被看到但是一直懸著的刀。而三大主糧，玉米、水稻和小麥，是全球最主要的糧食，也是人類族群維系的重要存在。比如當(dāng)年玉米和薯類的引入就成功讓我國人口穩(wěn)定在了億以上的規(guī)模。

如何提高它們的產(chǎn)量，可以說是關(guān)系到了人類的生存問題。畢竟無論是直接當(dāng)食物還是間接地作為家畜飼料，都是非常重要的。

2. 巧合還是必然？玉米和水稻

作為世界三大主糧，小麥?zhǔn)俏鱽喨嗣耨Z化的，水稻是中國人民馴化的，玉米是美洲人馴化的。

可以說是分布在了亞歐大陸和美洲大陸上，它們祖先各異，形態(tài)和生長更是千差萬別，但是偉大的先民們還是努力地把它們馴化出來了。這里面，經(jīng)歷了漫長的改良和人工選擇，那么，這其中有沒有共同的選擇？是否“不約而同”？

這次是來自中國農(nóng)大和華中農(nóng)大的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)一起來解讀這個(gè)問題。他們是怎么做的呢？

3. 玉米的行數(shù)是什么基因決定的呢

首先，他們制作了一種很“特殊的”玉米，就是用野生的玉米去制作了一種特異的6行玉米。此處提問：你們知道常見的玉米行數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)？

目的呢，就是尋找控制玉米行數(shù)的關(guān)鍵基因。但是這可不容易哈，這里稍微解釋下。不少性狀基因，大體上可以分為兩大類。

一類是質(zhì)量性狀基因，簡單地說就是決定性狀的，一般符合0/1規(guī)律，比如，男就是男，女就是女。一類是數(shù)量性狀性狀，簡單地說就是決定數(shù)量的，往往是連續(xù)的，比如，身高，可以從幾十厘米到兩米多。

在現(xiàn)實(shí)研究中，前者容易一些，畢竟有和無是比較容易確定的。但是后者就難多了，因?yàn)?，?shù)量是連續(xù)的，你就很難找到顯著性狀基因，因此大家發(fā)現(xiàn)沒，直到今天，我們依然沒找到智商基因和身高基因，這就是這個(gè)問題。（當(dāng)然不是絕對(duì)的，我們已經(jīng)通過矮小癥找到了一些身高基因，但是還不全面）。玉米的產(chǎn)量，同樣符合這個(gè)規(guī)律，是數(shù)量性狀。

這次研究團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)造性做法就是先搞了個(gè)特殊6行玉米，這樣和常見的幾十行玉米呈現(xiàn)明顯差異，那么就容易研究了。接下來，就是測基因組，然后找候選基因（答案就是：KRN2）。

這個(gè)基因能夠直接調(diào)控玉米的穗行數(shù)。

而這個(gè)基因上面，經(jīng)歷了非常多的選擇，尤其是-800 ～ -100 bp這部分。

接下來，采用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證KRN2基因：

這次研究發(fā)現(xiàn)KRN2 和另外一個(gè)基因DUF1644可以協(xié)同起來發(fā)揮作用。到此，玉米基因解決。

4. 水稻的產(chǎn)量呢

既然解決了玉米，那么其他作物呢？比如，水稻。

為什么會(huì)想到水稻呢？其實(shí)也有一點(diǎn)聯(lián)想的依據(jù)，因?yàn)樗竞陀衩子幸韵孪嗨频膬?nèi)容：

種子傳播喪失：作為對(duì)比，大家想象蒲公英如何傳播種子，玉米種子成熟了也在玉米軸上不掉下來。

種子休眠減少：大家想象水稻可以夸張的一年三季，幾乎是不眠不休。而很多種子是必須休眠的。進(jìn)化過程中粒數(shù)增加：這個(gè)最容易理解了，粒數(shù)增加，自然產(chǎn)量增加。

正因?yàn)槿绱?，二者似乎有一種趨同的趨勢，所以，二者可能在進(jìn)化上也趨同。

于是，接下來就是尋找相似基因了，也就是找同源基因，祖先相似的那個(gè)（大家想想基因是從0到多的）。還真的被研究團(tuán)隊(duì)找到了，玉米中的KRN2在水稻中真的有同源基因，叫OsKRN2，就是下面這種。

二者有很大的相似度（同源性），進(jìn)化關(guān)系上也很接近。

接下來就是驗(yàn)證，如下。

不用多說，這基因果然對(duì)水稻也有效果，和水稻產(chǎn)量控制有關(guān)。

5. 結(jié)論

一圖來看：

研究找到了控制玉米和水稻產(chǎn)量的重要基因，玉米是KRN2，水稻是OsKRN2，而這倆基因是同源基因。

看來在漫長的馴化過程中，可以說是不約而同。中國人民和美洲人民，遠(yuǎn)隔太平洋，最后把水稻和玉米用相似的基因方式選擇出來。而遺傳學(xué)上也證明了，這些基因在玉米和水稻中經(jīng)歷了相似的選擇過程。

可見中美人民都找到了類似的思路。而這倆基因，的確可以決定玉米和水稻的產(chǎn)量。

研究人員做了以下基因編輯，結(jié)果如下：

基因編輯后，玉米穗行數(shù)增加，產(chǎn)量提高10%；水稻的產(chǎn)量增加8%。

而對(duì)于這篇研究，這個(gè)基因是我國具有重大知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基因，未來，可以用來改良水稻和玉米，提高產(chǎn)量，可以說未來解決我國糧食安全問題也是很重要的貢獻(xiàn)。AC4D3F26-1317-47F5-B2B6-F24B4BEBD244