科學家發現決定大麥“睡”多久的基因 | 科技前線

氣候變化給現代農業帶來了新的挑戰。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”

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

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，易在穗上提前發芽，降低產量和品質；而休眠時間太長，則會影響復種時機和出苗整齊度。

研究團隊發現，MKK3（絲裂原活化蛋白激酶激酶3）基因通過“拷貝數+激酶活性”雙輪驅動，塑造了大麥在全球不同氣候區的休眠節律。

MKK3存在1至15個不等的串聯重復拷貝，并攜帶T260、Q165等關鍵氨基酸變體。當基因拷貝數越多，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。

二者協同作用，可實現對MKK3總體活性的精細調控，進而決定作物種子的休眠特性。

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休眠因地區而異

團隊結合研究發現的新機制，系統解析了全球1000余份大麥種子MKK3的時空演化格局，發現氣候和農業需求是人類選擇MKK3類型的指揮棒。

在東亞季風區，人們偏愛“低活性模式”MKK3的大麥種子，其休眠期長，可避開收獲季節濕熱氣候導致的穗發芽問題。

在北歐，啤酒大麥即便在潮濕的亞極地地區，人們為麥芽快速均勻萌發，以賦予啤酒卓越的釀造品質，仍選擇“弱休眠性模式”MKK3的種子。當地人通過提前收獲、煙熏干燥等農藝技術，可規避穗發芽風險。

在青藏高原，經過長期選育，人們種植的裸大麥（青稞）含有全球“最高活性模式”的MKK3，其表現出最弱的休眠性和最強的種子萌發活性。針對青藏高原的極端氣候，尤其是高海拔地區青稞收獲期（9月至10月）頻發的低溫脅迫，使當地形成了獨特的適應性農藝實踐，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，并適應青藏高原嚴苛的環境，確保大部分籽粒萌發。

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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的雙重調控機制可直接用于分子育種，并通過“拷貝數的增減”或“單堿基編輯”微調種子休眠期，進而控制種子休眠與發芽，為當前全球氣候變化條件下的農業可持續發展提供了支撐。

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