新研究！中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)植物生命周期的“控制開關(guān)”

十字花科是植物中最繁盛的科之一，有許多日?？梢姷霓r(nóng)作物出自這一科，如油菜、白菜、西蘭花等。

2024 年 5 月 28 日，國際學(xué)術(shù)期刊《細胞》（Cell）在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王佳偉研究團隊題為《十字花科一年生和多果多年生開花行為之間的相互轉(zhuǎn)換》（Reciprocal conversion between annual and polycarpic perennial flowering behavior in the Brassicaceae）的研究論文。

研究人員在十字花科植物中成功鑒定到了三個決定植物多年生的關(guān)鍵基因，只要在多年生植物中敲除這三個基因，或者在一年生植物中轉(zhuǎn)入這三個多年生型基因，便可實現(xiàn)十字花科植物在多年生與一年生生活習(xí)性間互相轉(zhuǎn)換。

僅需改變?nèi)齻€基因便可實現(xiàn)十字花科植物一年生與多年生生活習(xí)性的互相轉(zhuǎn)換。圖片來源：參考文獻[1]

什么是多年生作物

根據(jù)完成一次生命周期所需要的時間，可以將植物簡單劃分為一年生、二年生和多年生。一年生植物在開花后會消耗大量能量用于產(chǎn)生種子，直至整株干枯死亡。

而大部分多年生植物在開花以后會有節(jié)制地消耗能量，進而能夠保留部分能量和新芽，隨后進入營養(yǎng)生長狀態(tài)（即長出新葉并茁壯發(fā)育），年年如此，在開花與營養(yǎng)生長的循環(huán)中實現(xiàn)長壽。

從“一歲一枯榮”的小草到枝繁葉茂的大樹，植物具有多樣生活習(xí)性的事實人盡皆知，但是真正決定植物壽命的“開關(guān)”是什么，卻不是十分清楚。

從應(yīng)用的角度考慮，多年生作物是傳統(tǒng)一年生作物的有效補充，具有“一次播種，多次收獲”的特點，避免了反復(fù)耕作，不僅可以節(jié)約人力和機械成本，還可以保護土壤結(jié)構(gòu)。

此外，多年生作物發(fā)達的根系能保證高的水肥利用，減少土壤流失，并將大氣中的碳固定在土層中，是我國推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和應(yīng)對未來氣候變化的重要戰(zhàn)略儲備。

從何尋來的多年生型基因

如何尋找決定植物多年生的基因呢？有一個邏輯簡單的研究策略，先找到一對可雜交的一年生與多年生植物組合，根據(jù)遺傳學(xué)常識推測，它們的子代既會有一年生也會有多年生，通過對子代進行基因型和表型關(guān)聯(lián)分析，就能夠找到?jīng)Q定植物多年生的基因。

上述研究策略聽起來十分簡單，然而全世界其他實驗室卻鮮有嘗試。究其原因，首先是技術(shù)限制，近十年來基因組測序技術(shù)和基因編輯技術(shù)飛速發(fā)展，讓越來越多的植物能被用于分子遺傳研究，這在以前是難以實現(xiàn)的。

更重要的原因是實際操作難度大、需要大量的勞動投入。一年生與多年生植物，在分類上往往同屬不同種，存在生殖隔離。跨越物種的遠緣雜交，能產(chǎn)生正常可育后代的概率極低，要想成功只能多做嘗試。

為此，早在十年以前王佳偉老師團隊就開始了對十字花科材料的收集，共涵蓋了須彌芥屬、糖芥屬、碎米薺屬、南芥屬等數(shù)百份植物材料。

團隊對收集來的植物首先進行生活習(xí)性（一年生還是多年生）考察，再評估基因組大小，結(jié)合形態(tài)特征和分子標(biāo)記評估親緣關(guān)系，初步篩選有可能成功的“一年生多年生”植物組合。

隨后便是漫長的嘗試，終于得到了兩對可產(chǎn)生后代的雜交組合，分別是須彌芥屬的喜馬拉雅須彌芥（Crucihimalaya himalaica）和卵葉須彌芥（Crucihimalaya wallichii）；糖芥屬的內(nèi)華達糖芥（Erysimum nevadense）和小花糖芥（Erysimum cheiranthoides）。

多年生植物生活周期長，往往是今天種下的苗子，明年才能拿到實驗結(jié)果。在這期間，植物可能會因干旱、長害蟲等因素產(chǎn)生脅迫，進而影響實驗數(shù)據(jù)，所以需要得到持續(xù)精心的照顧，因為從嚴謹?shù)慕嵌瓤紤]，研究人員不希望植物因為干旱、長害蟲等因素產(chǎn)生脅迫，進而影響實驗數(shù)據(jù)。這也意味著研究人員要放棄休長假的機會，植物不會因為人的假期而停止自己的生長。

多年生植物尤其是喜馬拉雅須彌芥，原生環(huán)境位于青藏高原，需要經(jīng)歷長達五個月的低溫處理（模擬冬季環(huán)境）才能夠開花。在人工模擬冬季的低溫冷庫中，衰老的葉片很容易發(fā)霉腐爛，需要定期清理。

為了不讓植物受到溫度波動的影響，這些操作往往是在冷庫內(nèi)進行的，夏季穿著短袖短褲的科研人員在門外套件羽絨服就進入冷庫工作。

簡單梳理一下課題的時間線，2014 年開始課題， 2017 年獲得第一對一年生/多年生雜交組合， 2018 年獲得第二對雜交組合， 2022 年獲得實驗需要的全部突變體材料。發(fā)表論文中大部分的數(shù)據(jù)其實是在近三年完成的，然而上述在論文中表現(xiàn)不出來的付出才是構(gòu)成它的基石。

工作的結(jié)論

通過遺傳定位，研究人員在須彌芥屬和糖芥屬均找到了三個決定植物生活習(xí)性的關(guān)鍵基因，分別為 FLC、FLM 和 MAF ，三者屬于一類近緣的開花抑制基因。

研究人員利用基因編輯技術(shù)將多年生喜馬拉雅須彌芥的 FLC、FLM 和 MAF 基因逐個敲除，發(fā)現(xiàn)隨著此類基因的逐個丟失會導(dǎo)致植物由多年生轉(zhuǎn)向二年生，再進一步轉(zhuǎn)向一年生。

結(jié)合轉(zhuǎn)錄組和表觀組數(shù)據(jù)，研究人員總結(jié)了決定植物多年生開花策略的核心分子機制。多年生植物的 FLC、FLM 和 MAF 基因在冬天來臨前抑制植物開花，冬季的低溫會沉默此類基因的表達，因而植物可以在春季開花，之后隨著溫度的升高 FLC 等基因會重新激活，使植物結(jié)束花期重新回到營養(yǎng)生長狀態(tài)，如此歲歲年年花相似。

之后研究人員將多年生型的 FLC、FLM 和 MAF 基因轉(zhuǎn)入一年生（包括冬性一年生）的小花糖芥、擬南芥和油菜中，并成功使上述植物轉(zhuǎn)向多年生的生活習(xí)性。

未來的展望

理想中完美的科研工作需要包含兩大要素，有趣的科學(xué)故事以及實際應(yīng)用價值。

總結(jié)來看，要利用現(xiàn)有理論基礎(chǔ)創(chuàng)制可應(yīng)用的十字花科多年生作物，仍要走一段探索的路，溫室條件下能夠多年生的油菜在處于田間更加復(fù)雜多變的環(huán)境下能否維持多年生？多年生生活習(xí)性的植物在開花結(jié)實的時候，部分能量給了種子，部分能量用以維持自身生存，這是否意味著多年生作物的產(chǎn)量會低于傳統(tǒng)作物？能否通過定向的分子設(shè)計，讓作物在產(chǎn)量和維持自身多年生之間達成一個完美的平衡？這些有潛力應(yīng)用于實際生產(chǎn)的科學(xué)問題，將是接下來工作的重心。

參考文獻

[1] Zhai D, Zhang L-Y, Li L-Z, et al. (2024). “Reciprocal conversion between annual and polycarpic perennial flowering behavior in the Brassicaceae.” Cell

策劃制作

出品｜科普中國

作者｜王佳偉 翟東（中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心）

監(jiān)制｜中國科普博覽

責(zé)編丨楊雅萍

審校丨徐來 林林