发现植物生命周期的控制开关 定向改造可“掌控”植物寿命

出品：科普中国

作者：王佳伟 翟东（中国科学院分子植物科学卓越创新中心）

监制：中国科普博览

编者按：为揭开科技工作的神秘面纱，科普中国前沿科技项目推出“我和我的研究”系列文章，邀请科学家亲自执笔，分享科研历程，打造科学世界。让我们跟随站在科技最前沿的探索者们，开启一段段充满热情、挑战与惊喜的旅程。

十字花科是植物中最繁盛的科之一，有许多日常可见的农作物出自这一科，如油菜、白菜、西兰花等。

2024年5月28日，国际学术期刊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团队题为*“Reciprocal conversion between annual and polycarpic perennial flowering behavior in the Brassicaceae”*的研究论文。

研究人员在十字花科植物中成功鉴定到了三个决定植物多年生的关键基因，只要在多年生植物中敲除这三个基因，或者在一年生植物中转入这三个多年生型基因，便可实现十字花科植物在多年生与一年生生活习性间互相转换。

仅需改变三个基因便可实现十字花科植物一年生与多年生生活习性的互相转换

（图片来源：参考文献1）

什么是多年生作物

**根据完成一次生命周期所需要的时间，可以将植物简单划分为一年生、二年生和多年生。**一年生植物在开花后会消耗大量能量用于产生种子，直至整株干枯死亡。

而大部分多年生植物在开花以后会有节制地消耗能量，进而能够保留部分能量和新芽，随后进入营养生长状态（即长出新叶并茁壮发育），年年如此，在开花与营养生长的循环中实现长寿。

从“一岁一枯荣”的小草到枝繁叶茂的大树，植物具有多样生活习性的事实人尽皆知，但是真正决定植物寿命的“开关”是什么，却不是十分清楚。

从应用的角度考虑，多年生作物是传统一年生作物的有效补充，具有“一次播种，多次收获”的特点，避免了反复耕作，不仅可以节约人力和机械成本，还可以保护土壤结构。

此外多年生作物发达的根系能保证高的水肥利用，减少土壤流失，并将大气中的碳固定在土层中，是我国推动农业可持续发展和应对未来气候变化的重要战略储备。

从何寻来的多年生型基因？

如何寻找决定植物多年生的基因呢？有一个逻辑简单的研究策略，先找到一对可杂交的一年生与多年生植物组合，根据遗传学常识推测，它们的子代既会有一年生也会有多年生，通过对子代进行基因型和表型关联分析，就能够找到决定植物多年生的基因。上述研究策略听起来十分简单，然而全世界其他实验室却鲜有尝试。究其原因，首先是技术限制，近十年来基因组测序技术和基因编辑技术飞速发展，让越来越多的植物能被用于分子遗传研究，这在以前是难以实现的。

更重要的原因是实际操作难度大、需要大量的劳动投入。一年生与多年生植物，在分类上往往同属不同种，存在生殖隔离。跨越物种的远缘杂交，能产生正常可育后代的概率极低，要想成功只能多做尝试。

为此，早在十年以前王佳伟老师团队就开始了对十字花科材料的收集，共涵盖了须弥芥属、糖芥属、碎米荠属、南芥属等数百份植物材料。

团队对收集来的植物首先进行生活习性（一年生还是多年生）考察，再评估基因组大小，结合形态特征和分子标记评估亲缘关系，初步筛选有可能成功的“一年生多年生”植物组合。

随后便是漫长的尝试，终于得到了两对可产生后代的杂交组合，分别是须弥芥属的喜马拉雅须弥芥（Crucihimalaya himalaica）和卵叶须弥芥（Crucihimalaya wallichii）；糖芥属的内华达糖芥（Erysimum nevadense）和小花糖芥（Erysimum cheiranthoides）。

**多年生植物生活周期长，往往是今天种下的苗子，明年才能拿到实验结果。**在这期间，植物可能会因干旱、长害虫等因素产生胁迫，进而影响实验数据，所以需要得到持续精心的照顾，因为从严谨的角度考虑，研究人员不希望植物因为干旱、长害虫等因素产生胁迫，进而影响实验数据。这也意味着研究人员要放弃休长假的机会，植物不会因为人的假期而停止自己的生长。

多年生植物尤其是喜马拉雅须弥芥，原生环境位于青藏高原，需要经历长达五个月的低温处理（模拟冬季环境）才能够开花。在人工模拟冬季的低温冷库中，衰老的叶片很容易发霉腐烂，需要定期清理。

为了不让植物受到温度波动的影响，这些操作往往是在冷库内进行的，夏季穿着短袖短裤的科研人员在门外套件羽绒服就进入冷库工作。

在冷库中取材的研究人员

（图片来源：作者供图）

简单梳理一下课题的时间线，2014年开始课题，2017年获得第一对一年生/多年生杂交组合，2018年获得第二对杂交组合，2022年获得实验需要的全部突变体材料。发表论文中大部分的数据其实是在近三年完成的，然而上述在论文中表现不出来的付出才是构成它的基石。

工作的结论

通过遗传定位，研究人员在须弥芥属和糖芥属均找到了三个决定植物生活习性的关键基因，分别为FLC、FLM和MAF，三者属于一类近缘的开花抑制基因。

研究人员利用基因编辑技术将多年生喜马拉雅须弥芥的FLC、FLM和MAF基因逐个敲除，发现随着此类基因的逐个丢失会导致植物由多年生转向二年生，再进一步转向一年生。

结合转录组和表观组数据，研究人员总结了决定植物多年生开花策略的核心分子机制。多年生植物的FLC、FLM和MAF基因在冬天来临前抑制植物开花，冬季的低温会沉默此类基因的表达，因而植物可以在春季开花，之后随着温度的升高FLC等基因会重新激活，使植物结束花期重新回到营养生长状态，如此岁岁年年花相似。

之后研究人员将多年生型的FLC、FLM和MAF基因转入一年生（包括冬性一年生）的小花糖芥、拟南芥和油菜中，并成功使上述植物转向多年生的生活习性。

王佳伟研究员正在观察拟南芥实验情况

（图片来源：作者供图）

未来的展望

理想中完美的科研工作需要包含两大要素，有趣的科学故事以及实际应用价值。总结来看，要利用现有理论基础创制可应用的十字花科多年生作物，仍要走一段探索的路，温室条件下能够多年生的油菜在处于田间更加复杂多变的环境下能否维持多年生？多年生生活习性的植物在开花结实的时候，部分能量给了种子，部分能量用以维持自身生存，这是否意味着多年生作物的产量会低于传统作物？能否通过定向的分子设计，让作物在产量和维持自身多年生之间达成一个完美的平衡？这些有潜力应用于实际生产的科学问题，将是接下来工作的重心。

参考文献：

[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.187(13): 3319-3337.