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。
01
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。
02
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)。
03
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

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