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。
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

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