科學家發(fā)現(xiàn)決定大麥“睡”多久的基因 | 科技前線

氣候變化給現(xiàn)代農(nóng)業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)。近日，中國科學院青藏高原研究所等研究團隊，破解了大麥種子“睡”多久由什么決定的問題。

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休眠的“雙開關(guān)”

種子休眠，是指種子在適宜發(fā)芽的條件下仍“按兵不動”，直到環(huán)境真正安全才“啟動”發(fā)芽，這是農(nóng)作物在馴化過程中被深刻改造的關(guān)鍵性狀之一。

然而，種子休眠是一把“雙刃劍”：休眠時間太短，成熟種子遇到連陰雨，易在穗上提前發(fā)芽，降低產(chǎn)量和品質(zhì)；而休眠時間太長，則會影響復(fù)種時機和出苗整齊度。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，MKK3（絲裂原活化蛋白激酶激酶3）基因通過“拷貝數(shù)+激酶活性”雙輪驅(qū)動，塑造了大麥在全球不同氣候區(qū)的休眠節(jié)律。

MKK3存在1至15個不等的串聯(lián)重復(fù)拷貝，并攜帶T260、Q165等關(guān)鍵氨基酸變體。當基因拷貝數(shù)越多，表達量越大，種子休眠性越弱。同時，當氨基酸變異控制的激酶活性越強，種子休眠性越弱。

二者協(xié)同作用，可實現(xiàn)對MKK3總體活性的精細調(diào)控，進而決定作物種子的休眠特性。

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休眠因地區(qū)而異

團隊結(jié)合研究發(fā)現(xiàn)的新機制，系統(tǒng)解析了全球1000余份大麥種子MKK3的時空演化格局，發(fā)現(xiàn)氣候和農(nóng)業(yè)需求是人類選擇MKK3類型的指揮棒。

在東亞季風區(qū)，人們偏愛“低活性模式”MKK3的大麥種子，其休眠期長，可避開收獲季節(jié)濕熱氣候?qū)е碌乃氚l(fā)芽問題。

在北歐，啤酒大麥即便在潮濕的亞極地地區(qū)，人們?yōu)辂溠靠焖倬鶆蛎劝l(fā)，以賦予啤酒卓越的釀造品質(zhì)，仍選擇“弱休眠性模式”MKK3的種子。當?shù)厝送ㄟ^提前收獲、煙熏干燥等農(nóng)藝技術(shù)，可規(guī)避穗發(fā)芽風險。

在青藏高原，經(jīng)過長期選育，人們種植的裸大麥（青稞）含有全球“最高活性模式”的MKK3，其表現(xiàn)出最弱的休眠性和最強的種子萌發(fā)活性。針對青藏高原的極端氣候，尤其是高海拔地區(qū)青稞收獲期（9月至10月）頻發(fā)的低溫脅迫，使當?shù)匦纬闪霜毺氐倪m應(yīng)性農(nóng)藝實踐，即在籽粒未完全成熟時進行收獲，隨后通過自然風干、焙炒、研磨等采后處理，使其便于冬季儲存與食用。這種極端的種子休眠性狀選擇，可使提前收獲的種子在播種后能迅速激活，并適應(yīng)青藏高原嚴苛的環(huán)境，確保大部分籽粒萌發(fā)。

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為育種帶來新思路

這項研究把基因變異、氣候變化及人類飲食文化寫進了同一本“史冊”，為糧食抗逆育種提供了可操作的分子模塊，即MKK3的雙重調(diào)控機制可直接用于分子育種，并通過“拷貝數(shù)的增減”或“單堿基編輯”微調(diào)種子休眠期，進而控制種子休眠與發(fā)芽，為當前全球氣候變化條件下的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了支撐。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx2022

來源：中國科學院青藏高原研究所

責任編輯：閆文藝