如何讓植物在每一個春天都煥發(fā)生機(jī)？

   一年生植物在一年內(nèi)完成整個生活史，即從受精、種子萌發(fā)、開花、結(jié)果直至死亡。

    而多次開花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)。

    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)以萬計的基因和數(shù)以億計的堿基對，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多年生基因被克隆，相關(guān)的演化路徑仍不清楚。

    2022年，多年生稻的培育工作入選《科學(xué)》雜志評選的世界十大科技突破之一（排名第二）。通常認(rèn)為，多年生作物具有一次播種多次收獲的特點，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)用價值，是全球農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展備受關(guān)注的重點領(lǐng)域。

    2024年5月28日，國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)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)新中心王佳偉研究組題為“Reciprocal conversion between annual and polycarpic perennial flowering behavior in the Brassicaceae（十字花科植物一年生與多年生的自由轉(zhuǎn)換）”的研究論文。本文的研究策略是以具有豐富生活史（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。

    一年生植物（annual）在開花后全株枯萎死亡，沒有分生組織（meristem）保留；多次開花多年生植物（polycarpic perennial）在開花后可以回復(fù)營養(yǎng)生長，以此保留部分分生組織，支撐多年生長。研究發(fā)現(xiàn)，同時敲除3個FLC類MADS-box基因可以導(dǎo)致十字花科多年生植物向一年生的轉(zhuǎn)換，而在一年生植物中表達(dá)一個多年生類型的FLC基因就可以讓一年生植物變?yōu)槎嗄晟��?本文均為 受訪者 供圖

    十字花科植物包括多種重要蔬菜和油料作物，模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）也屬于該科。王佳偉研究團(tuán)隊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，于十字花科須彌芥屬（Crucihimalaya）和糖芥屬（Erysimum）中分別選取了一對可雜交的一年生/多年生植物組合。

    其中，喜馬拉雅須彌芥（Crucihimalaya himalaica）與內(nèi)華達(dá)糖芥（Erysimum nevadense）為多次結(jié)實多年生植物（polycarpic perennial）；小花糖芥（Erysimum cheiranthoides）為一次結(jié)實一年生植物（monocarpic annual）；而卵葉須彌芥（Crucihimalaya wallichii）則呈現(xiàn)出兼性冬性一年生/多次結(jié)實多年生特征。

    在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊構(gòu)建了兩個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)確定每個單株的基因型。

實驗材料：采集于西藏的喜馬拉雅須彌芥

    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。對照模式植物擬南芥的基因功能注釋，在這三個遺傳區(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FLOWERING LOCUS C（FLC）、FLOWERING LOCUS M（FLM）和MADS AFFECTING FLOWERING（MAF），它們都具有抑制植物開花（生殖生長）的功能。

    為了驗證上述三個基因?qū)Χ嗄晟�以及生活史策略的影響，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)實多年生逐漸演化為二年生再轉(zhuǎn)變?yōu)橐荒晟�的軌跡：當(dāng)FLC、FLM和MAF三個基因都保持功能完好時，植物表現(xiàn)出穩(wěn)健的多次結(jié)實多年生表型；缺失其中一個或兩個基因會導(dǎo)致植物出現(xiàn)兼性生活史策略；而當(dāng)三個基因完全缺失時，植物轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮谓Y(jié)實一年生。

    通過對親本和F1代植物的RNA-seq和H3K27me3 ChIP-seq實驗，發(fā)現(xiàn)一年生小花糖芥的FLC類MADS-box基因在春化后更傾向于被穩(wěn)定抑制，而來自多年生內(nèi)華達(dá)糖芥的基因在春化后則傾向于重置，這一差異是多次結(jié)實多年生植物生活習(xí)性建立的核心分子基礎(chǔ)，并由基因自身的特異序列所決定。研究發(fā)現(xiàn)，盡管FLC、FLM和MAF親緣關(guān)系較近，但是它們在基因功能與表達(dá)量以及重置時間與強(qiáng)度上都不盡相同。

研究員在進(jìn)行實驗

    基于以上實驗結(jié)果，王佳偉研究團(tuán)隊提出在十字花科植物中，生活史策略的演變（即多年生/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（continuum）。FLC、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。

    最后，通過導(dǎo)入多年生FLC基因，成功將一年生模式植物擬南芥由一次結(jié)實一年生轉(zhuǎn)變?yōu)槎啻谓Y(jié)實多年生。

    研究結(jié)果顯示，擬南芥等一年生植物具備成為多次結(jié)實多年生植物的先決條件。多年生FLC類MADS-box基因可能是十字花科植物多年生生活習(xí)性建立的充要條件。

    該項研究在國際上首次實現(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、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)。

    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)的實現(xiàn)。

    中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心翟東博士、博士研究生張露怡、李凌子和徐洲更博士為該論文的共同第一作者，王佳偉研究員為通訊作者。劉曉麗、趙波、高健、王付祥博士，博士研究生商冠東也參與了相關(guān)工作。該研究得到了新基石研究員項目、國家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項目、中國科學(xué)院B類先導(dǎo)項目以及騰訊科學(xué)探索獎的資助。