研究破解种子“睡眠”时长奥秘

人民网北京12月16日电 (记者赵竹青)当前，全球人口增长和气候变化导致的极端天气频发，给现代农业带来了全新挑战。统计显示，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十亿美元，且随着极端天气增多呈加剧趋势。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嘉士伯研究实验室、法国Secobra研究所、英国剑桥大学、丹麦哥本哈根大学等全球数十家顶尖科研机构，破解了大麦种子“睡多久”由谁说了算。该成果近日发表在《科学》杂志，为通过基因组设计育种、构建可持续的高性能农业体系提供了可能，也为应对未来极端气候变化与人口爆发性增长带来的粮食安全挑战提供了新途径。

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“启动”发芽，是农作物在驯化过程中被深刻改造的关键性状之一。然而，种子休眠是一把“双刃剑”：休眠时间太短，成熟种子遇连阴雨易在穗上提前发芽，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。

研究发现，一个名为MKK3的基因通过“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。论文通讯作者、丹麦嘉士伯研究实验室谷物育种与性状开发研究中心主任克里斯托夫·多克特博士介绍，大麦种质基因组中控制种子休眠性状基因MKK3(丝裂原活化蛋白激酶激酶3)双重调控大麦种子休眠时间，即MKK3存在1至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。当基因拷贝数越多，表达量越大，种子休眠性越弱；当氨基酸变异控制的激酶活性越强，种子休眠性越弱。二者协同作用，可实现对MKK3总体活性的精细调控，进而决定作物种子的休眠特性。

结合研究发现的新机制，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。东亚季风区偏爱“低活性模式”MKK3，休眠期长，可避开收获季节湿热气候导致的穗发芽问题；北欧啤酒大麦即便在潮湿亚极地地区，古维京人仍选择并稳定了“弱休眠性模式”种子，只为麦芽快速均匀萌发，并赋予啤酒卓越的酿造品质，再通过提前收获、烟熏干燥等农艺技术规避穗发芽风险；而在青藏高原，裸大麦(青稞)选择了全球“最高活性模式”。经过长期选育，青稞拥有全球几乎最强的MKK3活性，表现出最弱的休眠性和最强的种子萌发活性。针对青藏高原的极端气候，尤其是高海拔地区大麦收获期(9-10月)频发的低温胁迫，当地形成了独特的适应性农艺实践，即在籽粒未完全成熟时即进行收获，其后通过自然风干与焙炒、研磨等采后处理，使其便于冬季储存与食用。这种极端的种子休眠性状选择，可以确保提前收获的种子在播种后能迅速激活以适应青藏高原严苛环境，确保大部分籽粒萌发。

“这是把基因变异、气候变化和人类饮食文化写进同一本史册。”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，“更令人兴奋的是，该成果为粮食抗逆育种提供了可操作的分子模块，MKK3的双重调控机制可直接用于分子育种，通过‘拷贝数的增减’或‘单碱基编辑’即可微调种子休眠期，进而控制种子的休眠与发芽，为当前全球气候变化条件下的农业可持续发展提供支撑。”