科学家发现决定大麦“睡”多久的基因

中国科学院
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气候变化给现代农业带来了新的挑战。近日,中国科学院青藏高原研究所等研究团队,破解了大麦种子“睡”多久由什么决定的问题。zBu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

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,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,种子休眠是一把“双刃剑”,即休眠时间太短,成熟种子遇到连阴雨,易在穗上提前发芽,降低产量和品质;而休眠时间太长,则会影响复种时机和出苗整齐度。zBu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

研究团队发现,MKK3(丝裂原活化蛋白激酶激酶3)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MKK3存在1至15个不等的串联重复拷贝,并携带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。同时,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。zBu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

团队结合研究发现的新机制,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类型的指挥棒在东亚季风区,人们偏爱“低活性模式”MKK3的大麦种子,其休眠期长,可避开收获季节湿热气候导致的穗发芽问题。在北欧,啤酒大麦即便在潮湿的亚极地地区,人们为麦芽快速均匀萌发,以赋予啤酒卓越的酿造品质,仍选择“弱休眠性模式”MKK3的种子。当地人通过提前收获、烟熏干燥等农艺技术,可规避穗发芽风险。在青藏高原,经过长期选育,人们种植的裸大麦(青稞)含有全球“最高活性模式”的MKK3,其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,尤其是高海拔地区青稞收获期(9月至10月)频发的低温胁迫,使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进行收获,随后通过自然风干、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,可使提前收获的种子在播种后能迅速激活,并适应青藏高原严苛的环境,确保大部分籽粒萌发。zBu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

该研究把基因变异、气候变化及人类饮食文化写进了同一本“史册”,为粮食抗逆育种提供了可操作的分子模块,即MKK3的双重调控机制可直接用于分子育种,并通过“拷贝数的增减”或“单碱基编辑”微调种子休眠期,进而控制种子休眠与发芽,为当前全球气候变化条件下的农业可持续发展提供了支撑。zBu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

相关研究成果发表在《科学》(Science)上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、中国科学院等的支持。zBu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

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