中国农大、华中农大团队联合攻关粮食作物育种 —— “剪”一下基因，玉米增产十个百分点
北京，中国农业大学校内的国家玉米改良中心整饬一新，几代学者矢志玉米研究，力图通过玉米种业改良以臻粮食安全。
千里之外的武汉，华中农业大学牵头建设的湖北洪山实验室正以生物种业科技创新为核心，致力于提供对人类和地球都健康的食品。
近日，《科学》杂志在线发表了中国农业大学李建生、杨小红团队和华中农业大学严建兵团队的联合科研成果，一个在玉米和水稻中都具有的关键基因被发现。这是一项关于玉米和水稻“趋同选择”研究的重大成果，为作物驯化的机理解析和未来作物育种奠定了理论基础。
发掘“宝藏”：殊途同归提量增产
经过漫长的岁月，玉米、水稻和小麦成为三大主要农作物，为全球人类提供了50%以上的能量摄入。这些作物在长期的改良与选择过程中，是否遵循了共同的遗传规律?这一疑问引领着两地两校的联合研究团队，从基因和基因组两个层面进行系统研究。
科研人员从野生玉米资源里新发现了一个基因，将其命名为KRN2。通过对这一基因的编辑，可以调控玉米穗行数，从而将玉米的产量提高10%。同时，这一基因在水稻的基因组里也同样存在，通过基因编辑，它能使水稻的产量增加8%，并且对其他农艺性状没有明显的负面影响，展现了巨大的应用潜力。
“这个基因以前从来没有被发现过，而且它在玉米和水稻中都有。”华中农大作物遗传改良国家重点实验室、湖北洪山实验室教授严建兵介绍，“基因编辑就好比用一把小剪刀把这个基因‘剪’一下，以提高产量。”
为全面挖掘更多玉米和水稻中的趋同选择基因，团队成员进一步在全基因组水平上对玉米和水稻进行大数据选择分析，检测到490对经历了趋同选择的同源基因对。严建兵说，此次发现的KRN2，只是其中一个影响产量的基因，其他受趋同选择的基因中，还蕴藏着很多可用于玉米和水稻遗传改良的“宝藏”，这在宏观上或者在整个基因组水平上，对作物遗传改良指明了新方向。
科研攻关：定时“迁移”协同科研
2004年的夏天，李建生教授带领当时尚为讲师的严建兵、博士生杨小红以及众多学生在国家玉米改良中心门口留下了一张合影，师生笑靥如春。
同年，海南玉米繁育基地的玉米长势正好。李建生亲自动手组配玉米自交系Mo17与玉米野生种大刍草的杂交种。他总是一大早就到地头观测他心爱的玉米，一干就是一整天，三亚的日头将他的皮肤晒得黝黑。
每天早上8点开始，李建生就会把手机关机，一直在田间地头忙活，做育种工作，再采样回去做数据分析。“做这个工作就是要耐得住寂寞，不能有外界干扰，那样干活效率太低，我只要在地头谁也联系不到我。”李建生说。
李建生几乎每年都会到海南两次，有时一待就是半年，南繁基地已成为他另一个家。他穿梭于两地，带领一位位研究生不断摸索寻找最合适的组配亲本，历经数年最终创制了稳定的分离群体，定位了几个关键位点，为团队后续开展玉米重要产量性状形成的遗传基础和驯化机理奠定了材料基础。
每到南繁基地种管收重要时间节点，和李建生一样，他的学生们都成了“候鸟”，定时“迁移”。
随着研究的深入，2021年联合团队利用组学大数据，在全基因组水平描绘了玉米和水稻趋同选择的整体图景，逐渐揭示了物种选择殊途同归的“奥妙”，并把发现推向国际学界舞台。
据了解，他们的合作成果远不止发表在《科学》上的这一篇。近年来，两地两团队围绕玉米复杂性状的遗传解析这一重大主题发表了近百篇合作研究成果，2016年李建生、杨小红、严建兵师生三人共同获得国家科学技术发明二等奖。
坚守初心：把科研成果应用到大地上
“每天天不亮开始取样，平均每天400株左右，8个小时处理完……”团队成员张璇回忆起那段岁月很感慨，为保证样品的完整性和准确性，团队成员更是全体出动，协力完成采样和电镜拍摄任务。在张璇看来，团队从主要擅长的玉米基因组学到学习全新的基因功能解析和雌穗发育，他们经历了一次次“蜕变”。
“科研就是一颗酸柠檬。”文章共同第一作者、刚从严建兵课题组毕业去中国科学院遗传与发育生物学研究所从事博士后研究的陈露回忆道，“群体分析往往会被不断修正和颠覆，有时几个月的心血会被瞬间推翻。我们要学会把酸柠檬做成一杯好喝的柠檬水，推翻了，其实也就离成功不远了……”
“从充满不确定性的未知，到探寻已知的过程满是乐趣。”严建兵认为，科研也是最好的生活方式，他的人生目标绝不是为了发几篇文章，“我希望能把学习的知识应用到大地上。”
下一步，联合研究团队将依托湖北洪山实验室，组建玉米基因组、育种基因设计、分组育种等创新团队，打通从基础研究到标记基因的开发，以及品种选育、产业推广运用全产业链。