稻子為何能陸生？進化分櫱調控機制是關鍵?

科技日報訊（記者趙漢斌）記者從雲南大學獲悉，該校農學院胡鳳益研究員及其合作團隊近日成功揭示了陸稻在陸生適應性進化中的分櫱調控作用機制。《自然》子刊《自然·通訊》線上發表了這一成果。

植物株型對作物產量具有重要作用，許多禾本科作物的馴化歷史都經歷了共有、平行的株型變化模式，即具有分櫱減少的轉變。例如，玉米、高梁、小麥、小米、珍珠黍等農作物的野生種均具有較多分櫱，而其栽培種往往分櫱明顯較少。已知的玉米馴化基因 （tb1），及其在高梁、小米、珍珠黍中的直系同源基因，都被證明是作物馴化過程中影響植株分櫱的關鍵基因。那麼這種平行進化是否具有共同的分子遺傳機制呢？

此前的研究發現，玉米馴化基因在水稻中的直系同源基因OsTb1，雖然功能上被證明影響分櫱性狀，但是在水稻的馴化過程中沒有受到選擇；另一方面，儘管在水稻中克隆了眾多跟分櫱相關的基因，但均沒有研究證明這些基因是在陸生環境和人工選擇中被固定下來。

陸稻是適應雨養陸生環境的一種特殊生態型群體，整個生育期土壤處於陸生狀態，經過陸生環境和人類的選擇，其分櫱大幅減少。雲南大學胡鳳益教授團隊與西北工業大學王文教授、中科院基因組所陳華研究員以及澳大利亞昆士蘭大學倫·韋德教授合作，透過群體遺傳學和比較基因組學鑑定了在陸稻具有強烈選擇訊號的分櫱調控基因OsTb2，該基因是玉米重要馴化基因直系同源基因透過基因複製產出的新基因，該基因的新功能化促進了水稻分櫱的發生。

他們繼而發現，直系同源基因編碼區內可能是引起水、陸稻分櫱表型差異的主要因素。它們可能造成了分櫱調控基因功能的改變，和基因表達的變異。

進一步關聯分析證明，陸生環境下，陸稻的分櫱數目顯著低於水稻，同時陸稻品種具有較高的單穗產量。即在陸生環境選擇下，由於對人類產量的追求和對陸生環境適應雙重選擇壓力下，最終進化出陸稻群體生態型分化的分櫱調控基因單倍型，進而減少了陸生環境下的分櫱，增加了單穗產量，從而被人類選擇固定下來。進一步功能分析發現，分櫱調控基因和直系同源基因的蛋白髮生相互作用，部分抵消了直系同源基因透過一個轉錄因子通路抑制分櫱的作用而行使功能。

這項研究提出了分櫱調控基因新功能化是陸稻分枝適應性進化的作用模式。並對分櫱調控基因的分子調控模型進行了解析：即分櫱調控基因與直系同源基因相互作用，部分消除了直系同源基因對轉錄因子通路的抑制作用，進而調控分櫱表型。作物包括高粱、玉米、小麥、黍子等作物在馴化過程中存在共有和平行的分枝減少歷程，而本研究擴充套件了自然選擇和人工選擇下作物分枝進化的理論，為選育適應旱地種植的水稻提供了思路和材料。