一年生植物在一年內(nèi)完成整個(gè)生活史，即從受精、種子萌發(fā)、開花、結(jié)果直至死亡。多年生植物在開花結(jié)果后并不會死亡，還會繼續(xù)產(chǎn)生葉片，在來年繼續(xù)開花結(jié)果，并如此循環(huán)往復(fù)。

科學(xué)家們認(rèn)為，多年生作物具有一次播種多次收獲的特點(diǎn)，可節(jié)約人力和機(jī)械成本，改善土壤結(jié)構(gòu)，有助于維護(hù)國家糧食和生態(tài)安全。因此，培育和推廣多年生作物具有重要的生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值。

北京時(shí)間28日深夜，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王佳偉研究組題的最新研究成果。科研人員以具有豐富生活史(一年生、二年生和多年生)策略變異的植物屬種為模式，通過構(gòu)建跨物種遺傳群體和正向遺傳學(xué)手段定位決定多年生和植物生活史策略演化的關(guān)鍵基因。

圖說:王佳偉研究員在觀察擬南芥實(shí)驗(yàn)情況

探尋“蒼老”又“年輕”的秘密

相較于高等動物，多年生高等植物擁有著不可思議的壽命極限。世界上最長壽的歐洲云杉已經(jīng)9500歲；北非加納利群島上的龍血樹也有8000歲；加利福尼亞州的狐尾松壽命能達(dá)到4700歲……它們“蒼老”到連年輪都無法注釋，只有通過碳14方法才能測算出高壽幾何，但它們又依然“年輕”，依舊在每一個(gè)春天里綻放新綠。

一般認(rèn)為，多年生植物更為古老，一年生植物是由多年生祖先演化而來。然而，多年生高等植物的基因組中有著數(shù)以萬計(jì)的基因和數(shù)以億計(jì)的堿基對，要找到?jīng)Q定多年生的關(guān)鍵基因猶如大海撈針。至今全世界還沒有一個(gè)多年生基因被克隆，相關(guān)的演化路徑仍不清楚。

科學(xué)家介紹，十字花科植物包括多種重要蔬菜和油料作物，大家耳熟能詳?shù)哪Ｊ街参飻M南芥亦屬于該科。王佳偉研究團(tuán)隊(duì)通過對中國植物志的深入調(diào)研以及全世界范圍內(nèi)植物的收集，在十字花科須彌芥屬和糖芥屬中分別選取了一對可雜交的一年生/多年生植物組合，構(gòu)建了兩個(gè)生活史表型分離的遺傳定位群體，并利用高通量測序技術(shù)確定每個(gè)單株的基因型。

“值得注意的是，在須彌芥屬和糖芥屬中都成功定位到了三個(gè)基因區(qū)間，提示十字花科植物的生活史策略演化具有跨物種保守性。”王佳偉表示，“對照模式植物擬南芥的基因功能注釋，在這三個(gè)遺傳區(qū)間內(nèi)存在一類親緣關(guān)系密切的MADS-box轉(zhuǎn)錄因子編碼基因，即FLC、FLM和MAF，它們都具有抑制植物開花的功能。”

圖說:實(shí)驗(yàn)材料是采集于西藏的喜馬拉雅須彌芥

多年生、二年生、一年生實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變

為了驗(yàn)證三個(gè)基因?qū)Χ嗄晟约吧钍凡呗缘挠绊懀蒲腥藛T使用CRISPR/Cas9基因組編輯技術(shù)定向敲除多年生喜馬拉雅須彌芥中的FLC、FLM和MAF基因，通過雜交手段將突變基因以不同的方式組合，成功再現(xiàn)了植物從多次結(jié)實(shí)多年生逐漸演化為二年生再轉(zhuǎn)變?yōu)橐荒晟能壽E:當(dāng)FLC、FLM和MAF三個(gè)基因都保持功能完好時(shí)，植物表現(xiàn)出穩(wěn)健的多次結(jié)實(shí)多年生表型；缺失其中一個(gè)或兩個(gè)基因會導(dǎo)致植物出現(xiàn)兼性生活史策略；而當(dāng)三個(gè)基因完全缺失時(shí)，植物轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮谓Y(jié)實(shí)一年生。

“基于眾多實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們提出，在十字花科植物中，多年生、二年生、一年生之間的轉(zhuǎn)變是由FLC類MADS-box基因劑量疊加所決定的連續(xù)過程。”中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士、論文共同第一作者翟東解釋，F(xiàn)LC、FLM和MAF基因在表達(dá)模式、蛋白功能、表觀重置模式上的多樣化以及它們不同的排列組合使得植物能夠擁有豐富多樣生活史策略，以適應(yīng)多變的生長環(huán)境。

值得一提的是，通過導(dǎo)入多年生FLC基因，課題組成功將一年生模式植物擬南芥由一次結(jié)實(shí)一年生轉(zhuǎn)變?yōu)槎啻谓Y(jié)實(shí)多年生。研究結(jié)果顯示，擬南芥等一年生植物具備成為多次結(jié)實(shí)多年生植物的先決條件。

“研究在國際上首次實(shí)現(xiàn)了十字花科植物多年生與一年生的自由轉(zhuǎn)換，為未來精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、定向培育適應(yīng)特定氣候地理環(huán)境的多年生油菜作物品種奠定了理論基礎(chǔ)。”王佳偉說，此外，由于多年生作物具有發(fā)達(dá)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，因此設(shè)計(jì)多年生十字花科植物也將有利于我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。