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活1年还是100年？能自由选？国际首次，上海科学家在十字花科植物上做到了

花匠小妙招
2024-11-01 18:09

采集于西藏的喜马拉雅须弥芥

想活1年，还是100年？这也能选吗？5月28日深夜，国际学术期刊《细胞》Cell在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心王佳伟研究组的研究论文，他们以具有丰富生活史（一年生、二年生和多年生）策略变异的植物属种为模式，通过构建跨物种遗传群体和正向遗传学手段，定位到了决定多年生和植物生活史策略演化的关键基因。

由此，研究团队在国际上首次实现了十字花科植物多年生与一年生的自由转换，这为未来精准设计、定向培育适应特定气候地理环境的多年生油菜作物品种奠定了理论基础。

所谓一年生植物，就是在一年内完成整个生活史，即从受精、种子萌发、开花、结果直至死亡。而多次开花多年生植物在开花结果后并不会死亡，还会继续产生叶片，在来年继续开花结果，并如此循环往复。

相较于高等动物，多年生高等植物拥有着不可思议的寿命极限——世界上最长寿的欧洲云杉已经9500岁；北非加纳利群岛上的龙血树也有8000岁；加利福尼亚州的狐尾松寿命能达到4700岁……它们"苍老"到连年轮都无法注释，只有通过碳14方法才能测算出高寿几何，但它们又依然"年轻"，依旧在每一个春天里绽放新绿。

一般认为，多年生植物更为古老，一年生植物是由多年生植物的祖先演化而来。然而，究竟哪些基因决定了植物的"寿限"？多年生高等植物的基因组中有着数以万计的基因和数以亿计的碱基对，要找到决定多年生的关键基因犹如大海捞针。至今全世界还没有一个多年生基因被克隆，相关的演化路径也仍不清楚。

2022年，多年生稻的培育工作入选《科学》杂志评选的"世界十大科技突破"。通常认为，多年生作物具有一次播种多次收获的特点，可节约人力和机械成本，改善土壤结构，有助于维护国家粮食和生态安全。因此，培育和推广多年生作物具有重要的生产应用价值，是全球农业绿色发展备受关注的重点领域。

十字花科植物包括多种重要蔬菜和油料作物，模式植物拟南芥也属于该科。王佳伟研究团队通过对中国植物志的深入调研以及全世界范围内植物的收集，于十字花科须弥芥属和糖芥属中分别选取了一对可杂交的一年生/多年生植物组合。

王佳伟在处理实验材料

其中，喜马拉雅须弥芥与内华达糖芥为多次结实多年生植物；小花糖芥为一次结实一年生植物；而卵叶须弥芥则呈现出兼性冬性一年生/多次结实多年生特征。

在此基础上，科学家构建了两个生活史表型分离的遗传定位群体，并利用高通量测序技术确定每个单株的基因型。值得注意的是，在须弥芥属和糖芥属中都成功定位到了三个基因区间FLC、FLM和MAF，提示十字花科植物的生活史策略演化具有跨物种保守性。同时，在这三个遗传区间内存在一类亲缘关系密切的MADS-box转录因子编码基因，均具有抑制植物开花（生殖生长）的功能。

为了验证上述三个基因对多年生以及生活史策略的影响，研究团队使用CRISPR/Cas9基因组编辑技术定向敲除多年生喜马拉雅须弥芥中的FLC、FLM和MAF基因，通过杂交手段将突变基因以不同的方式组合，成功再现了植物从多次结实多年生逐渐演化为二年生再转变为一年生的轨迹：当FLC、FLM和MAF三个基因都保持功能完好时，植物表现出稳健的多次结实多年生表型；缺失其中一个或两个基因会导致植物出现兼性生活史策略；而当三个基因完全缺失时，植物转变为一次结实一年生。

研究还发现，尽管FLC、FLM和MAF亲缘关系较近，但是它们在基因功能与表达量以及重置时间与强度上都不尽相同。由此，王佳伟研究团队提出在十字花科植物中，生活史策略的演变（即多年生/二年生/一年生之间的转变）是由FLC类MADS-box基因剂量叠加所决定的连续过程。FLC、FLM和MAF基因在表达模式、蛋白功能、表观重置模式上的多样化以及它们不同的排列组合使得植物能够拥有丰富多样生活史策略，以适应多变的生长环境。