當前，全球人口增長和氣候變化導致的極端天氣頻發，給現代農業帶來了全新挑戰。統計顯示，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十億美元，且隨著極端天氣增多呈加劇趨勢。
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全球數十家頂尖科研機構，破解了大麥種子“睡多久”由誰說了算。該成果近日發表在《科學》（Science）雜志,為通過基因組設計育種、構建可持續的高性能農業體系提供了可能，也為應對未來極端氣候變化與人口爆發性增長帶來的糧食安全挑戰提供了新途徑。
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“啟動”發芽，是農作物在馴化過程中被深刻改造的關鍵性狀之一。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。
研究發現，一個名為MKK3的基因通過“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。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研究中心主任克里斯托夫·多克特博士介紹，大麥種質基因組中控制種子休眠性狀基因MKK3（絲裂原活化蛋白激酶激酶3）雙重調控大麥種子休眠時間，即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。當基因拷貝數越多，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。二者協同作用，可實現對MKK3總體活性的精細調控，進而決定作物種子的休眠特性。
結合研究發現的新機制，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。東亞季風區偏愛“低活性模式”MKK3，休眠期長，可避開收獲季節濕熱氣候導致的穗發芽問題；北歐啤酒大麥即便在潮濕亞極地地區，古維京人仍選擇并穩定了“弱休眠性模式”種子，只為麥芽快速均勻萌發，并賦予啤酒卓越的釀造品質，再通過提前收獲、煙熏干燥等農藝技術規避穗發芽風險；而在青藏高原，裸大麥（青稞）選擇了全球“最高活性模式”。經過長期選育，青稞擁有全球幾乎最強的MKK3活性，表現出最弱的休眠性和最強的種子萌發活性。針對青藏高原的極端氣候，尤其是高海拔地區大麥收獲期（9-10月）頻發的低溫脅迫，當地形成了獨特的適應性農藝實踐，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青藏高原嚴苛環境，確保大部分籽粒萌發。
“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，“更令人興奮的是，該成果為糧食抗逆育種提供了可操作的分子模塊，MKK3的雙重調控機制可直接用于分子育種，通過‘拷貝數的增減’或‘單堿基編輯’即可微調種子休眠期，進而控制種子的休眠與發芽，為當前全球氣候變化條件下的農業可持續發展提供支撐。”
該研究國內研究工作得到國家自然科學基金委“青藏高原地球系統卓越研究群體項目”（項目號：42588201）、中國科學院與王寬誠教育基金會“中國科學院青年交叉團隊”項目支持，數據分析工作依托國家重大科技基礎設施項目“地球系統數值模擬裝置”（EarthLab, 2023-EL-ZD-000111）、國家超級計算無錫中心“神威·太湖之光”超級計算機執行并完成。
“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” 圖片來源“嘉士伯研究實驗室”
（光明日報全媒體記者崔興毅 通訊員劉曉倩）
