高MKK3激酶活性影響下種子短休眠時間導致的大麥穗上發芽現象

氣候變暖導致極端天氣頻發加劇，全球每年因穗發芽造成的作物減產甚至絕收，直接經濟損失高達數百億元。如何讓農作物種子相時而動，在環境真正安全時萌發？近日，一個中外聯合科研團隊破解了大麥種子休眠的“鬧鐘”基因，成果發表在國際頂尖學術期刊《科學》上。

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，它是一把“雙刃劍”：休眠時間太短，成熟種子一旦遇上連日陰雨，還掛在穗上就提前發芽，降低產量和品質；休眠時間太長，則會影響復種時機和出苗整齊度。

那么，為何不同品種的大麥既能適應江南水鄉的濕熱，也能耐得住青藏高原的寒旱？中國科學院青藏高原研究所古生態與人類適應團隊聯合丹麥、法國、英國的全球數十家頂尖科研機構，找到了能決定大麥種子“睡多久”的基因——MKK3（絲裂原活化蛋白激酶激酶3），它通過“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。

原來，在不同品種的大麥基因組中，MKK3存在1—15個不等的串聯重復拷貝，同時攜帶T260、Q165等關鍵氨基酸變體——基因拷貝數越多、氨基酸變體控制的激酶活性越強，種子休眠性越弱、萌發活性越強；反之則種子休眠性增強、萌發活性變弱。二者的協同作用可為不同大麥品種中的MKK3基因“調制”出適應不同農業條件的總體活性。

在此基礎上，研究團隊系統解析了全球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”。例如，東亞季風區的大麥品種偏愛“低萌發活性模式”的MKK3，它休眠期長，可避開收獲季節濕熱氣候導致的穗發芽問題。

而在青藏高原，經過長期選育，裸大麥（青稞）的MKK3基因擁有幾乎全球最強的萌發活性。據介紹，在高海拔地區，每年9-10月的大麥收獲期已是低溫脅迫頻發。故而，當地農民會在青稞籽粒尚未完全成熟時就收獲，再經過自然風干使其便于冬季儲存。這種極端的種子休眠性狀選擇，可確保提前收獲的種子在播種后能迅速發芽。

而在寒冷潮濕的亞極地地區，北歐啤酒大麥選擇“弱休眠模式”，則與古維京人的育種選擇有關——為了賦予啤酒卓越的釀造品質，麥芽需快速均勻萌發，他們會通過提前收獲、煙熏干燥等農藝技術規避穗發芽風險。

“這無異于把基因變異、氣候變化和人類飲食文化寫進同一部史冊。”論文共同第一作者、中國科學院青藏高原研究所王昱程研究員表示，該成果為糧食抗逆育種提供了可操作的分子模塊，通過微調種子休眠期，進而控制種子的休眠與發芽，將可為當前全球氣候變化條件下的農業可持續發展提供支撐。