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。而多次結(jié)實(shí)多年生植物在開花結(jié)果后并不會(huì)死亡，還會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生葉片，在來(lái)年繼續(xù)開花結(jié)果，并如此循環(huán)往復(fù)。相較于高等動(dòng)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(zhǎng)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(wú)法注釋，只有通過(guò)碳14方法才能測(cè)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(lái)。然而，多年生植物的基因組中有著數(shù)以萬(wàn)計(jì)的基因和數(shù)以億計(jì)的堿基對(duì)，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。

2022年，多年生稻的培育工作入選《科學(xué)》雜志評(píng)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(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(guó)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，是全球農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展備受關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域。

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、植物高效碳匯重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院）王佳偉研究組題為“Reciprocal conversion between annual and polycarpic perennial flowering behavior in the Brassicaceae”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(guò)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。

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(duì)通過(guò)對(duì)中國(guó)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(duì)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(shí)多年生植物（polycarpic perennial）；小花糖芥（Erysimum cheiranthoides）為一次結(jié)實(shí)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(shí)多年生特征。在此基礎(chǔ)上，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(cè)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。對(duì)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(zhǎng)）的功能。

為了驗(yàn)證上述三個(gè)基因?qū)Χ嗄晟约吧钍凡呗缘挠绊?，使?/span>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(guò)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(huì)導(dǎo)致植物出現(xiàn)兼性生活史策略（弱多年生/二年生/冬性一年生）；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。

通過(guò)對(duì)親本和F1代植物的RNA-seq和H3K27me3 ChIP-seq實(shí)驗(yàn)，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(lái)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(shí)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?cè)诨蚬δ芘c表達(dá)量以及重置時(shí)間與強(qiáng)度上都不盡相同。

基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，王佳偉研究團(tuán)隊(duì)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）是由三個(gè)FLC類MADS-box基因的劑量疊加效應(yīng)所決定的連續(xù)過(guò)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(zhǎng)環(huán)境。

最后，通過(guò)導(dǎo)入一個(gè)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(shí)一年生轉(zhuǎn)變?yōu)槎啻谓Y(jié)實(shí)多年生。這些研究結(jié)果提示，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，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(xiàng)研究在國(guó)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(lái)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)。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(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

中國(guó)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(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院B類先導(dǎo)項(xiàng)目以及騰訊科學(xué)探索獎(jiǎng)的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.04.047

FLC類基因的劑量疊加效應(yīng)決定十字花科植物生活史策略的多樣化

(A)? 喜馬拉雅須彌芥生活史策略調(diào)控的遺傳學(xué)基礎(chǔ)。生活史策略主要由兩個(gè)因素決定，即春化需求（vernalization requirement）和開花結(jié)實(shí)次數(shù)（parity）。對(duì)于春化作用，可以分為嚴(yán)格春化（obligate vernalization）、兼性春化（facultative vernalization）和不需要春化（None）三種。對(duì)開花結(jié)實(shí)次數(shù)，也可分為多次開花結(jié)實(shí)（polycarpic）、一次開花結(jié)實(shí)（monocarpic）和兼性（polycarpic/ monocarpic）三種。在喜馬拉雅須彌芥中，F(xiàn)LC、FLM和MAF為三個(gè)同源、抑制植物開花的MADS-box類轉(zhuǎn)錄因子，它們的表達(dá)都會(huì)被春化所抑制，并在春化后重置。此外，這三個(gè)基因?qū)τ诖夯枨蠛烷_花結(jié)實(shí)次數(shù)的貢獻(xiàn)程度不同（用圖中分別用藍(lán)色、青色和綠色表示，無(wú)色表示零貢獻(xiàn)）。這三個(gè)基因的綜合效應(yīng)決定了春化需求（黑色實(shí)線框）和開花結(jié)實(shí)次數(shù)（紫色實(shí)線框）的閾值（threshold，由兩個(gè)實(shí)線框中的兩條虛線表示）。圖中，C. him為喜馬拉雅須彌芥（Crucihimalaya himalaica）。野生型喜馬拉雅須彌芥為多次開花多年生。當(dāng)敲除ChFLC基因后，植物變?yōu)槎啻伍_花多年生或二年生，并嚴(yán)格依賴春化作用。當(dāng)進(jìn)一步敲除ChFLM基因后，植物變?yōu)槎砸荒晟?，并呈現(xiàn)兼性春化特性。當(dāng)ChFLC、ChFLM和ChMAF三個(gè)基因同時(shí)缺失時(shí)，喜馬拉雅須彌芥則轉(zhuǎn)變?yōu)橐荒晟参?。圖中黃色代表整株或部分植物組織已經(jīng)枯萎死亡。方便起見，圖中只展示了連續(xù)兩年的生活史。

(B)?? 十字花科其它植物生活史策略調(diào)控的遺傳學(xué)基礎(chǔ)。其中，A. tha FRI^SF2 FLC為冬性一年生擬南芥（Arabidopsis thaliana），C. wal為弱多年生植物（即兼性多年生和冬性一年生）卵葉須彌芥（Crucihimalaya wallichii），E. che為一年生植物小花糖芥（Erysimum cheiranthoides），E. nev為多次開花植物內(nèi)華達(dá)糖芥（Erysimum nevadense）。FLC、FLM和MAF在不同植物中的表達(dá)模式具有差異性，大致可以分為春化穩(wěn)定抑制型（stably repressed type，純色加豎線）和春化短暫抑制型（transiently repressed type，純色）兩種。三個(gè)同源MADS-box類基因不同的基因表達(dá)模式和貢獻(xiàn)程度決定了不同的生活史策略（參考圖A）。