2022年3月29日訊/生物谷BIOON/---在谷類植物進化的獨立過程中，許多性狀的轉變似乎是在趨同選擇下進行的，以滿足人類的特殊需要。識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化并加速育種計劃。在過去的幾十年中，科學家們一直在爭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動。作為兩種*重要的經濟作物，玉米和水稻在進化過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量的增加，盡管它們經歷了獨立的選擇。因此，玉米和水稻可以作為一個很好的系統來了解谷類植物之間趨同選擇的程度。
盡管發現了一些趨同選擇的基因，但是人們對玉米和水稻之間在全基因組范圍內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，來自中國農業大學、中國科學院、華中農業大學、湖北洪山實驗室、揚州大學和德國馬克斯-普朗克分子植物生理學研究所的研究人員在一項新的研究中研究了玉米中的籽粒產量（grain yield）數量性狀基因位點KRN2和其水稻直系同源基因OsKRN2的功能和分子進化。這些作者還利用兩個大型數據集，在玉米和水稻的全基因組范圍內確定了趨同選擇的基因。相關研究結果發表在2022年3月25日的Science期刊上，論文標題為“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。這個基因構成玉米籽粒行數的一個主要數量性狀基因位點。在非編碼上游區域的選擇導致了KRN2表達的減少，并通過增加籽粒行數而增加了籽粒數。水稻的同源基因OsKRN2也經歷了選擇，并通過控制二級圓錐花序的分枝來負向調節籽粒數量。KRN2及其在水稻中的同源基因OsKRN2編碼WD40蛋白，并與一個功能未知的基因DUF1644協同作用，這表明保守的蛋白相互作用控制了玉米和水稻的籽粒數量。田間試驗表明，利用CRISPR基因編輯技術在玉米中敲除KRN2或在水稻中敲除OsKRN2可分別增加糧食產量約10%和約8%，而在其他農藝性狀方面沒有明顯的犧牲。這表明KRN2及其同源基因在作物改良中的潛在應用。
在全基因組范圍內，這些作者確定了一組490個直系同源基因在玉米和水稻進化過程中經歷趨同選擇，包括KRN2/OsKRN2。他們發現，趨同選擇的直系同源基因似乎在玉米和水稻的兩個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。對淀粉代謝途徑中趨同選擇的基因的深入分析表明，通過趨同選擇的遺傳趨同程度與針對特定選擇的基因網絡的保守性和復雜性有關。
綜上所述，這些研究結果表明，在玉米和水稻進化過程中作用于保守基因的共同表型轉變至少部分上是由趨同選擇驅動的，而且在玉米和水稻中，趨同選擇可能是在馴化過程中和馴化后發生的。這些作者提供了關于玉米和水稻中KRN2/OsKRN2對籽粒數量的趨同選擇的進化和功能證據。他們進一步發現，功能完全喪失的KRN2/OsKRN2等位基因可以增加籽粒產量，而對其他農藝性狀沒有明顯的負面影響。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量提供新的機會。（生物谷 Bioon.com）
