人民網(wǎng)北京12月16日電 （記者趙竹青）當(dāng)前，全球人口增長和氣候變化導(dǎo)致的極端天氣頻發(fā)，給現(xiàn)代農(nóng)業(yè)帶來了全新挑戰(zhàn)。統(tǒng)計(jì)顯示，全球每年因穗發(fā)芽造成的作物減產(chǎn)甚至絕收，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)十億美元，且隨著極端天氣增多呈加劇趨勢。中國科學(xué)院青藏高原研究所古生態(tài)與人類適應(yīng)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合丹麥嘉士伯研究實(shí)驗(yàn)室、法國Secobra研究所、英國劍橋大學(xué)、丹麥哥本哈根大學(xué)等全球數(shù)十家頂尖科研機(jī)構(gòu)，破解了大麥種子“睡多久”由誰說了算。該成果近日發(fā)表在《科學(xué)》雜志，為通過基因組設(shè)計(jì)育種、構(gòu)建可持續(xù)的高性能農(nóng)業(yè)體系提供了可能，也為應(yīng)對未來極端氣候變化與人口爆發(fā)性增長帶來的糧食安全挑戰(zhàn)提供了新途徑。
種子休眠，是指種子在適宜發(fā)芽的條件下仍“按兵不動(dòng)”，直到環(huán)境真正安全才“啟動(dòng)”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(shí)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(shí)間太長，則會(huì)影響復(fù)種時(shí)機(jī)和出苗整齊度。
研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)名為MKK3的基因通過“拷貝數(shù)+激酶活性”雙輪驅(qū)動(dòng)，塑造了大麥在全球不同氣候區(qū)的休眠節(jié)律。論文通訊作者、丹麥嘉士伯研究實(shí)驗(yàn)室谷物育種與性狀開發(fā)研究中心主任克里斯托夫·多克特博士介紹，大麥種質(zhì)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(diào)控大麥種子休眠時(shí)間，即MKK3存在1至15個(gè)不等的串聯(lián)重復(fù)拷貝，同時(shí)攜帶T260、Q165等關(guān)鍵氨基酸變體。當(dāng)基因拷貝數(shù)越多，表達(dá)量越大，種子休眠性越弱；當(dāng)氨基酸變異控制的激酶活性越強(qiáng)，種子休眠性越弱。二者協(xié)同作用，可實(shí)現(xiàn)對MKK3總體活性的精細(xì)調(diào)控，進(jìn)而決定作物種子的休眠特性。
結(jié)合研究發(fā)現(xiàn)的新機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)解析了全球1000余份大麥種子MKK3的時(shí)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(fēng)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)定了“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(fēng)險(xiǎn)；而在青藏高原，裸大麥（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(qiáng)的MKK3活性，表現(xiàn)出最弱的休眠性和最強(qiáng)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?zhǔn)斋@期（9-10月）頻發(fā)的低溫脅迫，當(dāng)?shù)匦纬闪霜?dú)特的適應(yīng)性農(nóng)藝實(shí)踐，即在籽粒未完全成熟時(shí)即進(jìn)行收獲，其后通過自然風(fēng)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(yán)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(jìn)同一本史冊。”論文共同第一作者、中國科學(xué)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(diào)控機(jī)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(jìn)而控制種子的休眠與發(fā)芽，為當(dāng)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。”