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中新網(wǎng)北京12月15日電 (記者 孫自法)中國科學家聯(lián)合全球數(shù)十家科研機構(gòu)的合作者研究發(fā)現(xiàn)，一個名為MKK3的基因通過“拷貝數(shù)+激酶活性”雙輪驅(qū)動，塑造了大麥在全球不同氣候區(qū)的休眠節(jié)律，其中，青藏高原上，青稞(裸大麥)擁有全球幾乎最強的MKK3活性。

這項成功破解大麥種子休眠機制的重要研究成果，為通過基因組設(shè)計育種、構(gòu)建可持續(xù)的高性能農(nóng)業(yè)體系帶來可能，也為應(yīng)對未來極端氣候變化與人口爆發(fā)性增長導致的糧食安全挑戰(zhàn)提供了新途徑。

中國科學院青藏高原研究所12月15日向媒體發(fā)布信息說，MKK3“鬧鐘”雙輪驅(qū)動大麥種子休眠的相關(guān)研究論文，由該所古生態(tài)與人類適應(yīng)團隊聯(lián)合丹麥嘉士伯研究實驗室、法國Secobra研究所、英國劍橋大學、丹麥哥本哈根大學等合作完成，近日在國際學術(shù)期刊《科學》發(fā)表。

高MKK3激酶活性影響下種子短休眠時間導致的大麥穗上發(fā)芽現(xiàn)象(嘉士伯研究實驗室)。中國科學院青藏高原研究所 供圖

研究團隊介紹說，種子休眠是指種子在適宜發(fā)芽的條件下仍“按兵不動”，直到環(huán)境真正安全才“啟動”發(fā)芽，是農(nóng)作物在馴化過程中被深刻改造的關(guān)鍵性狀之一。然而，種子休眠是一把“雙刃劍”：休眠時間太短，成熟種子遇連陰雨易在穗上提前發(fā)芽，降低產(chǎn)量和品質(zhì)；休眠時間太長，則會影響復種時機和出苗整齊度。

論文通訊作者、丹麥嘉士伯研究實驗室谷物育種與性狀開發(fā)研究中心主任克里斯托夫·多克特博士指出，大麥種質(zhì)基因組中控制種子休眠性狀基因MKK3雙重調(diào)控大麥種子休眠時間。當基因拷貝數(shù)越多，表達量越大，種子休眠性越弱；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(xié)同作用，可實現(xiàn)對MKK3總體活性的精細調(diào)控，進而決定作物種子的休眠特性。

研究團隊進一步系統(tǒng)解析全球1000余份大麥種子MKK3的時空演化格局發(fā)現(xiàn)，氣候和農(nóng)業(yè)需求是人類選擇MKK3類型的“指揮棒”：東亞季風區(qū)偏愛“低活性模式”MKK3，休眠期長，可避開收獲季節(jié)濕熱氣候?qū)е碌乃氚l(fā)芽問題；北歐啤酒大麥即便在潮濕亞極地地區(qū)，古維京人仍選擇并穩(wěn)定“弱休眠性模式”種子，只為麥芽快速均勻萌發(fā)，并賦予啤酒卓越的釀造品質(zhì)，再通過提前收獲、煙熏干燥等農(nóng)藝技術(shù)規(guī)避穗發(fā)芽風險；在青藏高原，青稞選擇了全球“最高活性模式”。經(jīng)過長期選育，青稞擁有全球幾乎最強的MKK3活性，表現(xiàn)出最弱的休眠性和最強的種子萌發(fā)活性。

針對青藏高原的極端氣候，尤其是高海拔地區(qū)大麥收獲期(9月-10月)頻發(fā)的低溫脅迫，當?shù)匦纬瑟毺氐倪m應(yīng)性農(nóng)藝實踐，即在籽粒未完全成熟時即進行收獲，其后通過自然風干與焙炒、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，可以確保提前收獲的種子在播種后能迅速激活以適應(yīng)青藏高原嚴苛環(huán)境，確保大部分籽粒萌發(fā)。

“這是把基因變異、氣候變化和人類飲食文化寫進同一本史冊。”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，本項研究成果為糧食抗逆育種提供了可操作的分子模塊，MKK3的雙重調(diào)控機制可直接用于分子育種，通過“拷貝數(shù)的增減”或“單堿基編輯”即可微調(diào)種子休眠期，進而控制種子的休眠與發(fā)芽，為當前全球氣候變化條件下的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供支撐。