高MKK3激酶活性影响下种子短休眠时间导致的大麦穗上发芽现象
气候变暖导致极端天气频发加剧，全球每年因穗发芽造成的作物减产甚至绝收，直接经济损失高达数百亿元。如何让农作物种子相时而动，在环境真正安全时萌发？近日，一个中外联合科研团队破解了大麦种子休眠的“闹钟”基因，成果发表在国际顶尖学术期刊《科学》上。
种子休眠是指种子在适宜发芽的条件下仍“按兵不动”，直到环境真正安全才发芽。这是农作物在驯化过程中被深刻改造的关键性状之一。然而，它是一把“双刃剑”：休眠时间太短，成熟种子一旦遇上连日阴雨，还挂在穗上就提前发芽，降低产量和品质；休眠时间太长，则会影响复种时机和出苗整齐度。
那么，为何不同品种的大麦既能适应江南水乡的湿热，也能耐得住青藏高原的寒旱？中国科学院青藏高原研究所古生态与人类适应团队联合丹麦、法国、英国的全球数十家顶尖科研机构，找到了能决定大麦种子“睡多久”的基因——MKK3（丝裂原活化蛋白激酶激酶3），它通过“拷贝数+激酶活性”双轮驱动，塑造了大麦在全球不同气候区的休眠节律。
原来，在不同品种的大麦基因组中，MKK3存在1—15个不等的串联重复拷贝，同时携带T260、Q165等关键氨基酸变体——基因拷贝数越多、氨基酸变体控制的激酶活性越强，种子休眠性越弱、萌发活性越强；反之则种子休眠性增强、萌发活性变弱。二者的协同作用可为不同大麦品种中的MKK3基因“调制”出适应不同农业条件的总体活性。
在此基础上，研究团队系统解析了全球1000余份大麦种子MKK3的时空演化格局，发现气候和农业需求是人类选择MKK3类型的“指挥棒”。例如，东亚季风区的大麦品种偏爱“低萌发活性模式”的MKK3，它休眠期长，可避开收获季节湿热气候导致的穗发芽问题。
而在青藏高原，经过长期选育，裸大麦（青稞）的MKK3基因拥有几乎全球最强的萌发活性。据介绍，在高海拔地区，每年9-10月的大麦收获期已是低温胁迫频发。故而，当地农民会在青稞籽粒尚未完全成熟时就收获，再经过自然风干使其便于冬季储存。这种极端的种子休眠性状选择，可确保提前收获的种子在播种后能迅速发芽。
而在寒冷潮湿的亚极地地区，北欧啤酒大麦选择“弱休眠模式”，则与古维京人的育种选择有关——为了赋予啤酒卓越的酿造品质，麦芽需快速均匀萌发，他们会通过提前收获、烟熏干燥等农艺技术规避穗发芽风险。
“这无异于把基因变异、气候变化和人类饮食文化写进同一部史册。”论文共同第一作者、中国科学院青藏高原研究所王昱程研究员表示，该成果为粮食抗逆育种提供了可操作的分子模块，通过微调种子休眠期，进而控制种子的休眠与发芽，将可为当前全球气候变化条件下的农业可持续发展提供支撑。
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