12月24日,记者从中国科学院青藏高原研究所获悉,该所科研人员联合多家国内外单位的科研人员组成国际团队,共同揭开了大麦种子休眠时间背后的遗传奥秘,为未来设计抗逆作物、保障全球粮食安全提供了重要科学依据。相关研究成果发表于国际学术期刊《科学》。
所谓种子休眠,是指种子在具备适宜的水分、温度和光照等发芽条件时,仍暂不萌发,直至环境真正安全后才开始生长的生物学特性。这一特性在农作物驯化过程中曾被广泛选择和改造。但它犹如一把双刃剑:休眠期过短,种子易在田间或穗上遇雨提前发芽,导致作物减产和品质下降;休眠期过长,又会耽误农时,影响下茬作物的播种与出苗整齐度。
在这项研究中,科研人员发现,一个名为MKK3的基因通过“拷贝数+激酶活性”双轮驱动调控自身基因活性,以此来精准控制大麦种子的休眠时间。“基因拷贝数越多,表达量越大,种子休眠性越弱;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基因总体活性的精细调控,进而决定作物种子的休眠时间。”论文共同第一作者、中国科学院青藏高原研究所研究员王昱程说。
基于这一机制,科研人员分析了全球1000多份大麦种子的MKK3基因,发现不同地区的人类根据不同气候与农业需求,选择了种植不同MKK3基因类型的大麦:东亚季风区偏好“低活性”MKK3基因类型大麦以抗穗发芽;北欧为啤酒酿造品质选择了“弱休眠”MKK3基因类型大麦。
王昱程说:“该成果为粮食抗逆育种提供了可操作的分子模块,MKK3基因的双重调控机制可直接用于分子育种,通过拷贝数的增减或单碱基编辑使氨基酸变异改变激酶活性,即可微调种子休眠期,进而控制种子的休眠与发芽,为当前全球气候变化条件下的农业可持续发展提供支撑。”(记者 陆成宽)