出品：科普中國(guó)

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

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“我和我的研究”系列文章，邀請(qǐng)科學(xué)家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學(xué)世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開啟一段段充滿熱情、挑戰(zhàn)與驚喜的旅程。

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

2024年5月28日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Cell在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王佳偉研究團(tuán)隊(duì)題為*“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(gè)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(gè)基因，或者在一年生植物中轉(zhuǎn)入這三個(gè)多年生型基因，便可實(shí)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€(gè)基因便可實(shí)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(lái)源：參考文獻(xiàn)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(shí)間，可以將植物簡(jiǎn)單劃分為一年生、二年生和多年生。**一年生植物在開花后會(huì)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(huì)有節(jié)制地消耗能量，進(jìn)而能夠保留部分能量和新芽，隨后進(jìn)入營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)狀態(tài)（即長(zhǎng)出新葉并茁壯發(fā)育），年年如此，在開花與營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的循環(huán)中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(shí)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(bǔ)充，具有“一次播種，多次收獲”的特點(diǎn)，避免了反復(fù)耕作，不僅可以節(jié)約人力和機(jī)械成本，還可以保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)。

此外多年生作物發(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，是我國(guó)推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和應(yīng)對(duì)未來(lái)氣候變化的重要戰(zhàn)略儲(chǔ)備。

從何尋來(lái)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(gè)邏輯簡(jiǎn)單的研究策略，先找到一對(duì)可雜交的一年生與多年生植物組合，根據(jù)遺傳學(xué)常識(shí)推測(cè)，它們的子代既會(huì)有一年生也會(huì)有多年生，通過(guò)對(duì)子代進(jìn)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(tīng)起來(lái)十分簡(jiǎn)單，然而全世界其他實(shí)驗(yàn)室卻鮮有嘗試。究其原因，首先是技術(shù)限制，近十年來(lái)基因組測(cè)序技術(shù)和基因編輯技術(shù)飛速發(fā)展，讓越來(lái)越多的植物能被用于分子遺傳研究，這在以前是難以實(shí)現(xiàn)的。

更重要的原因是實(shí)際操作難度大、需要大量的勞動(dòng)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?？缭轿锓N的遠(yuǎn)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(tuán)隊(duì)就開始了對(duì)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(tuán)隊(duì)對(duì)收集來(lái)的植物首先進(jìn)行生活習(xí)性（一年生還是多年生）考察，再評(píng)估基因組大小，結(jié)合形態(tài)特征和分子標(biāo)記評(píng)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(zhǎng)的嘗試，終于得到了兩對(duì)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(dá)糖芥（Erysimum nevadense）和小花糖芥（Erysimum cheiranthoides）。

**多年生植物生活周期長(zhǎng)，往往是今天種下的苗子，明年才能拿到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。**在這期間，植物可能會(huì)因干旱、長(zhǎng)害蟲等因素產(chǎn)生脅迫，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以需要得到持續(xù)精心的照顧，因?yàn)閺膰?yán)謹(jǐn)?shù)慕嵌瓤紤]，研究人員不希望植物因?yàn)楦珊怠㈤L(zhǎng)害蟲等因素產(chǎn)生脅迫，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這也意味著研究人員要放棄休長(zhǎng)假的機(jī)會(huì)，植物不會(huì)因?yàn)槿说募倨诙Ｖ棺约旱纳L(zhǎng)。

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(zhǎng)達(dá)五個(gè)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(kù)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(dòng)的影響，這些操作往往是在冷庫(kù)內(nèi)進(jìn)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(jìn)入冷庫(kù)工作。

在冷庫(kù)中取材的研究人員

（圖片來(lái)源：作者供圖）

簡(jiǎn)單梳理一下課題的時(shí)間線，2014年開始課題，2017年獲得第一對(duì)一年生/多年生雜交組合，2018年獲得第二對(duì)雜交組合，2022年獲得實(shí)驗(yàn)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(shí)是在近三年完成的，然而上述在論文中表現(xiàn)不出來(lái)的付出才是構(gòu)成它的基石。

工作的結(jié)論

通過(guò)遺傳定位，研究人員在須彌芥屬和糖芥屬均找到了三個(gè)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(gè)敲除，發(fā)現(xiàn)隨著此類基因的逐個(gè)丟失會(huì)導(dǎo)致植物由多年生轉(zhuǎn)向二年生，再進(jìn)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(jī)制。多年生植物的FLC、FLM和MAF基因在冬天來(lái)臨前抑制植物開花，冬季的低溫會(huì)沉默此類基因的表達(dá)，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(huì)重新激活，使植物結(jié)束花期重新回到營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)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。

王佳偉研究員正在觀察擬南芥實(shí)驗(yàn)情況

（圖片來(lái)源：作者供圖）

未來(lái)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值。總結(jié)來(lái)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(shí)的時(shí)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(huì)低于傳統(tǒng)作物？能否通過(guò)定向的分子設(shè)計(jì)，讓作物在產(chǎn)量和維持自身多年生之間達(dá)成一個(gè)完美的平衡？這些有潛力應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的科學(xué)問(wèn)題，將是接下來(lái)工作的重心。

參考文獻(xiàn)：

[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.