中国科学院青藏高原研究所研究员王昱程等联合来自丹麦、法国、英国等国的数十家科研机构，破解了大麦种子“睡多久”由谁说了算的问题。相关研究近日发表在《科学》杂志，为基因组设计育种、构建可持续高性能农业体系提供了可能，也为应对未来极端气候变化与人口爆发性增长带来的粮食安全挑战提供了新途径。

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，是农作物在驯化过程中被深刻改造的关键性状之一。这是一把“双刃剑”：休眠时间太短，成熟种子遇连阴雨易在穗上提前发芽，降低产量和品质；休眠时间太长，则会影响复种时机和出苗整齐度。

当前，全球人口增长和气候变化导致的极端天气频发，给现代农业带来了全新挑战。统计显示，全球每年因穗发芽造成的作物减产甚至绝收，直接经济损失高达数十亿美元，且随着极端天气增多呈加剧趋势。

高MKK3激酶活性影响下种子短休眠时间导致的大麦穗上发芽现象。 图片来源：嘉士伯研究实验室

研究发现，一个叫作MKK3的基因通过“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。大麦种质基因组中控制种子休眠性状基因MKK3双重调控大麦种子休眠时间，即MKK3存在1—15个不等的串联重复拷贝，同时携带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；当氨基酸变异控制的激酶活性越强，种子休眠性越弱。”论文通讯作者、丹麦嘉士伯研究实验室谷物育种与性状开发研究中心主任克里斯托夫·多克特博士介绍，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。

通过对全球1000多份大麦种质的基因分析，团队重构了MKK3的演化历史，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，为避开采收期湿热天气，人类选择了休眠期长的“低活性模式”；北欧为满足啤酒酿造对麦芽快速、均匀发芽的需求，稳定保留了“弱休眠性模式”，并结合农艺措施规避风险；而在青藏高原，为适应高寒气候与提前收获的种植传统，裸大麦（青稞）被选育出全球最强的MKK3活性，确保种子在严苛环境中仍能迅速萌发。

“这是把基因变异、气候变化和人类饮食文化写进同一本史册。”论文共同第一作者王昱程说，“更令人兴奋的是，该成果为粮食抗逆育种提供了可操作的分子模块，MKK3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’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。”

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/science.adx2022