稻子为何能陆生？进化分蘖调控机制是关键?

《科技日报》(记者赵汉斌)记者从云南大学获悉，胡凤仪研究员及其团队最近成功揭示了陆稻适应性进化中分蘖调控机制。这一结果由《自然》杂志的附属期刊《自然通讯》在线发布。

株型对作物产量起着重要作用。许多禾本科作物的驯化历史经历了一个共同的平行的株型变化模式，即分蘖减少的变化。例如，玉米、高粱、小麦、小米、珍珠小米和其他作物的野生物种都有更多的分蘖，而它们的栽培物种往往有明显更少的分蘖。高粱、小米和珍珠小米中已知的玉米驯化基因(tb1)及其同源基因已被证明是作物驯化过程中影响分蘖的关键基因。那么这种平行进化有共同的分子遗传机制吗？

以前的研究发现，玉米驯化基因OsTb1，即水稻中的直向同源基因，在水稻驯化过程中没有被选择，尽管已经证明它在功能上影响分蘖性状。另一方面，尽管许多与分蘖相关的基因已经在水稻中克隆，但没有一个被证明在陆地环境和人工选择中是固定的。

旱稻是适应雨养陆地环境的特殊生态型群体。在整个生长期，土壤处于陆地状态。通过对陆地环境和人类的选择，其分蘖大大减少。云南大学的胡凤仪教授与西北工业大学的王文教授、中国科学院基因组研究所的陈华研究员和澳大利亚昆士兰大学的伦韦德教授合作，通过群体遗传学和比较基因组学的方法，鉴定出旱稻中一个具有强选择信号的分蘖调控基因OsTb2。该基因是玉米一个重要的驯化基因——直向同源基因的基因复制产生的新基因，该基因的新功能化促进了水稻分蘖的发生。

他们随后发现，直向同源基因编码区可能是造成水稻和旱稻分蘖表型差异的主要因素。它们可能导致分蘖控制基因功能的改变和基因表达的变异。

进一步的相关分析表明，陆稻的分蘖数明显低于陆稻，陆稻品种的每穗产量较高。即在追求人类产量和适应陆地环境的双重选择压力下，陆地水稻群体生态型分化的分蘖控制基因单体型最终进化，从而减少陆地环境中的分蘖，增加单穗产量，从而被人类选择所固定。进一步的功能分析发现分蘖控制基因和直向同源基因的蛋白质相互作用，部分抵消了直向同源基因通过转录因子途径抑制分蘖的功能。

该研究表明分蘖控制基因的新功能化是旱稻分枝适应性进化的一种作用方式。分析了分蘖调控基因的分子调控模型:分蘖调控基因与直向同源基因的相互作用部分消除了直向同源基因对转录因子途径的抑制，从而调控分蘖表型。包括高粱、玉米、小麦、黍稷和其他作物在内的作物在驯化过程中具有共同和平行的分枝减少过程。本研究拓展了自然选择和人工选择条件下作物分枝进化的理论，为培育适合旱地栽培的水稻提供了思路和材料。