基因变异体可精细调控大麦籽粒的休眠期和作物抗逆性

一项新的研究揭示了大麦 MKK3 基因中的基因变化会如何精细调控种子休眠期，从而决定大麦籽粒是保持休眠状态还是提前萌芽。这些发现为育种工作者提供了新的基因工具：在气候条件变化时平衡种子休眠与作物抗逆性。农业的兴起受到刻意选择具改良性状作物的驱策。在谷类作物中，被遴选的一个关键性状是籽粒休眠期，即种子萌芽前的这段时间。在野生谷物中，籽粒休眠有助于确保植物在条件不可预测时存活下来。在培育作物时，人类的选择缩短了谷物休眠期，从而令作物能快速均匀生长并提高产量。 然而，较短的休眠期也使得现代谷物（如大麦）更容易发生收获前萌发（PHS），即谷粒在温暖潮湿的天气下过早发芽，后者可导致重大农业损失。随着全球气温升高和极端天气事件日益频繁， PHS 的发生率及其相关的作物损失可能会增加。

尽管谷粒休眠对全球粮食安全至关重要，但人们对其演化和分子机制仍知之甚少。先前的研究表明，丝裂原活化蛋白激酶激酶3 (MKK3) 的基因变异对谷粒休眠的调控不可或缺。Morten Jøgensen 和同事研究了野生和栽培大麦中 MKK3 的基因变异，发现 MKK3 蛋白中氨基酸的些微变化会导致休眠和 PHS 抗性方面的重大差异。详细的基因与分子学分析表明，与野生祖先型大麦不同，栽培大麦通常会携带多个 MKK3 基因拷贝；这种拷贝数变异与可改变激酶活性的氨基酸变化的结合可共同微调大麦籽粒的休眠性状。研究发现，为因应当地气候和农业实践，在全球范围内已演化出了不同的 MKK3 单倍型。例如，在北欧出现了高活性变异株，因为那里偏爱用低休眠型大麦来制作麦芽及酿造啤酒，而在东亚潮湿与季风多发地区，为防止 PHS，休眠性较强的品种会被保留。尽管某些 MKK3 单倍型可通过特定用途和提高特定种植条件下的产量和籽粒品质而在特定区域内脱颖而出，但它们的基因复杂性对传统的杂交育种计划构成了挑战。Jørgensen 等人指出，这体现了泛基因组学方法在识别变异体方面的价值，因为这些变异体一旦被引入现代基因型，它们就能促进作物在气候条件变化时的可持续性和抗逆性。