玉米的单株产量由玉米的每穗籽粒数目和穗粒重共同决定，挖掘控制玉米产量的“高产基因”，解析穗行数调控网络，可使玉米单产得到大幅度提高，对保障国家粮食安全有重大价值和现实意义。
在国家自然科学基金重大研究计划“主要农作物产量性状的遗传调控网络解析”支持下，在山东农业大学教授张宪省等责任专家指导下，研究人员综合利用农学与信息学，完成了调控玉米穗行数关键基因的克隆，并针对这些基因成功解析穗行数形成的遗传调控网络。
研究人员首先锁定候选基因KRN2，发现其对穗行数具有负调控作用。随后，他们通过表达分析、原生质体瞬时表达实验、核苷酸多态性分析等多项先进实验方法，最终确定是由于KRN2上游非编码区在玉米驯化和改良过程中受到选择导致其表达量降低，从而提高玉米的穗行数。
基于上述结论，研究人员通过多年多点的田间试验、表型分析发现，与野生型相比，KRN2敲除突变体的穗行数、穗粒数、穗粒重等产量相关性状均有所提高，产量比野生型分别提高10%左右；同时，KRN2突变体不引起花期、株型、叶型、雄穗、穗长、百粒重、籽粒体积等其他农艺性状的明显变化。
同时，研究人员解析了玉米穗行数形成的调控网络。针对玉米控制籽粒数目的主效遗传位点KRN4，利用全基因组关联分析、图位克隆等手段，证实KRN4位于控制玉米雌穗发育重要基因Unbranched3（UB3）的下游，并且远距离调节UB3基因的表达。与KRN4互作的UB3则通过绑定LOG1和ARRs基因的启动子区域调控LOG1和ARRs基因的表达，而LOG1和ARRs主要通过细胞分裂素的合成信号途径控制玉米穗行数的数量变异。
进一步研究表明，KRN4作为一个UB3启动子的远程增强子，通过染色质互作和招募UB2为中心的转录复合体调控UB3在雌穗分生组织中的表达。这一结果为基因间区参与数量性状的精细调控提供了新的证据。
此外，研究人员还鉴定到一个以不同方式影响多个分生组织的突变基因gif1，以及控制玉米穗长和花数的乙烯生物合成酶ZmACO2等。
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科研人员利用基因编辑技术敲除功能基因或优化启动子，创制了高产玉米新种质。（研究团队供图）
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