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最新观点| WD40蛋白趋同选择提高玉米和水稻籽粒产量

作者:颜廷玮、HQC

在大约一万年前,玉米、水稻和小麦被独立驯化。作为主要的谷类作物,为全球人类提供了50%以上的能量摄入。玉米和水稻作为两种最重要的经济作物,尽管在进化时进行了独立的选择,但在进化过程中表现出一些类似的表型变化,包括易于栽培、种子休眠时间缩短、粒数增加等。那它们是否遵循了共同的遗传规律?回答这一重大的科学问题,对作物的改良具有重要意义。

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玉米和水稻趋同选择的分子机制


2022年3月25日,中国农业大学杨小红/李建生团队联合华中农业大学严建兵团队在Science发表了题为 “Convergent selection of a WD40 protein that enhances grain yield in maize and rice”的研究论文,从单基因和基因组层面解析了玉米KRN2和水稻OsKRN2的趋同进化,对阐明作物物种进化和未来作物改良提供了重要的数据资源。

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1.KRN2是导致玉米穗行数变异的基因

首先,研究人员利用玉米自交系B73和约有25%的基因组来自于玉米野生祖先大刍草(teosinte)且穗行数为6的MT-6材料进行杂交,构建了重组自交系群体。在这一群体中,鉴定到了8个和玉米穗行数(Kernel Row Number, KRN)这一性状相关的位点,其中位于2号染色体的qKRN2是个主效QTL位点(图1A)。进一步通过图位克隆方法,从7056个单株中,将该QTL定位在一个含有5799bp区域,该区域仅包含一个候选基因(Zm00001d002641),命名为KRN2。基因组测序显示在KRN2启动子区、5'UTR和编码区存在许多突变(图1B,C)。进一步利用玉米原生质体进行瞬时表达和启动子、编码区核酸多样性分析证明KRN2的5'UTR在驯化过程中得到选择,导致KRN2表达量减少,最终导致玉米穗行数增加(图1G-I)。

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图1. 影响穗行数的KRN2在玉米驯化过程被选择


2.KRN2通过与DUF1644相互作用负调控穗行数

KRN2编码一个定位于细胞质的WD40蛋白。为了阐明KRN2的分子机制,他们使用了酵母双杂交系统筛选到了6个存在潜在相互作用的蛋白,其中DUF1644定位于细胞质和细胞核(图2A、B)。他们进一步通过CRISPR-Cas9技术创制了KRN2DUF1644的单突变体和双突变体材料。结果表明,duf1644的单突变体与野生型相比无明显差别,但krn2/ duf1644双突变体的花分生组织和穗行数明显高于krn2单突变体(图2C-F)。

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图2. KRN2及其互作蛋白DUF1644协同调节玉米穗行数


3.水稻KRN2同源基因的趋同选择

KRN2包含一个保守的WD40结构域,在大多数谷类作物中被发现(图3A)。KRN2基因在水稻中的同源基因OsKRN2定位于4号染色体上,位于1个水稻驯化选择区域内,且与玉米KRN2所在的区域具有共线性(图3B)。同时发现,栽培水稻中OsKRN2起始密码子上游约1100bp区域的核苷酸多样性明显降低。利用启动子区单核苷酸多态性构建的单倍型能够明显区分野生稻和栽培稻(图3C)。作者使用CRISPR-Cas9技术创制了OsKRN2突变体,发现oskrn2突变体的二级分枝数和穗粒数显著增加(图3D-F)。相比之下,过表达OsKRN2株系则表现相反的表型(图3G-I)。更为有趣的是,OsKRN2与 OsDUF1644也存在着直接相互作用。这表明保守的蛋白质相互作用调控着玉米的穗行数和水稻的二级分枝数。

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图3. OsKRN2是一个被选择的,与水稻穗粒数相关的基因

 

4.KRN2OsKRN2基因编辑提高了玉米和水稻的产量

为了进一步验证KRN2OsKRN2的育种应用价值,在多环境下对玉米KRN2和水稻OsKRN2基因编辑品系进行产量测试(图4)。结果表明,在测试环境中,KRN2OsKRN2功能完全丧失的突变体较野生型分别提高了大约10%8%的玉米和水稻产量,同时在植株结构、开花时间和穗长等其他农艺性状上无明显变化。这表明KRN2基因在未来高产育种中具有巨大的潜力和应用价值。

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图4. KRN2OsKRN2基因编辑品系在田间产量表现

 

5.玉米和水稻全基因组水平趋同选择分析

该研究进一步对玉米和水稻全基因组水平的趋同选择进行了分析,通过对包含6500万个SNP507份玉米自交系和70份大刍草以及包含7100万个SNP461份栽培稻和257份野生稻的测序结果进行全基因组分析(图5A)。通过玉米和大刍草比较,确定了69.6Mb的区域,覆盖了玉米B73参考基因组的3.3%,包含3163个基因受到选择(图5B)。另外,水稻共包含18755个受选择的基因(图5C)。通过数据分析,发现490对玉米和水稻的同源基因具有明显的趋同选择(图5D)。除了KRN2Sh1Sweet4以外,另外13对同源基因的功能已通过实验验证。其中包括茎分生组织发育调节因子KN1/OSH1和控制淀粉生物合成的SBE1

研究者对这490对同源基因进行富集分析,发现它们在淀粉和蔗糖代谢途径以及辅助因子合成途径显著富集(图5F)。淀粉是谷物类种子的主要成分,对籽粒产量有重要贡献。该研究对淀粉合成代谢途径中的25个玉米基因和93个水稻基因进行分析,发现11个同源基因对表现出趋同选择(图5G),但也有部分同源基因在两个物种中存在较大分化。

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图5. 玉米和水稻的趋同选择


该研究发现影响玉米穗粒数相关基因KRN2及水稻同源基因OsKRN2受到了趋同选择,敲除玉米KRN2和水稻OsKRN2使谷物产量增加约10%8%,同时其他农艺性状没有明显变化,这对未来高产育种具有巨大的潜力和应用价值。此外,作者在全基因组水平上阐明了趋同进化的规律,不仅有助于种质资源的改良,还有助于驱动新作物的从头驯化。



原文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg7985



































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