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