来源： 中国科学报

挖掘玉米“高产基因”

科研人员利用基因编辑技术敲除功能基因或优化启动子，创制了高产玉米新种质。

粮食安全是“国之大者”。提高水稻、玉米、小麦等主粮作物的产量，是保障国家重大需求——口粮安全的关键所在。

为进一步提高我国主粮作物的产量，过去10 年间，在国家自然科学基金重大研究计划“主要农作物产量性状的遗传调控网络解析”持续资助下，科学家围绕水稻、玉米和小麦产量性状的分子遗传机理开展了科研攻关。

10年来，面向我国粮食安全的重大需求和生命科学的前沿领域，在该重大研究计划的支持下，科学家解析了影响主要农作物产量性状的生长发育重要生物学过程的分子遗传及生理生化调控网络，创制了一批新的遗传种质，利用新育种方法培育出若干个新品种，为我国主要农作物高产品种培育提供了理论和技术支撑。

玉米的单株产量由玉米的每穗籽粒数目和穗粒重共同决定，挖掘控制玉米产量的“高产基因”，解析穗行数调控网络，可使玉米单产得到大幅度提高，对保障国家粮食安全有重大价值和现实意义。

在国家自然科学基金重大研究计划“主要农作物产量性状的遗传调控网络解析”支持下，在山东农业大学教授张宪省等责任专家指导下，研究人员综合利用农学与信息学，完成了调控玉米穗行数关键基因的克隆，并针对这些基因成功解析穗行数形成的遗传调控网络。

研究人员首先锁定候选基因KRN2，发现其对穗行数具有负调控作用。随后，他们通过表达分析、原生质体瞬时表达实验、核苷酸多态性分析等多项先进实验方法，最终确定是由于KRN2上游非编码区在玉米驯化和改良过程中受到选择导致其表达量降低，从而提高玉米的穗行数。

基于上述结论，研究人员通过多年多点的田间试验、表型分析发现，与野生型相比，KRN2敲除突变体的穗行数、穗粒数、穗粒重等产量相关性状均有所提高，产量比野生型分别提高10%左右；同时，KRN2突变体不引起花期、株型、叶型、雄穗、穗长、百粒重、籽粒体积等其他农艺性状的明显变化。

同时，研究人员解析了玉米穗行数形成的调控网络。针对玉米控制籽粒数目的主效遗传位点KRN4，利用全基因组关联分析、图位克隆等手段，证实KRN4位于控制玉米雌穗发育重要基因Unbranched3（UB3）的下游，并且远距离调节UB3基因的表达。与KRN4互作的UB3则通过绑定LOG1和ARRs基因的启动子区域调控LOG1和ARRs基因的表达，而LOG1和ARRs主要通过细胞分裂素的合成信号途径控制玉米穗行数的数量变异。

进一步研究表明，KRN4 作为一个UB3启动子的远程增强子，通过染色质互作和招募UB2为中心的转录复合体调控UB3在雌穗分生组织中的表达。这一结果为基因间区参与数量性状的精细调控提供了新的证据。

此外，研究人员还鉴定到一个以不同方式影响多个分生组织的突变基因gif1，以及控制玉米穗长和花数的乙烯生物合成酶ZmACO2等。

《中国科学报》 (2023-05-29 第4版 自然科学基金)

来源: 中国科学报

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