今天小編分享的科學經驗：新研究！中國科學家發現植物生命周期的“控制開關”，歡迎閲讀。
十字花科是植物中最繁盛的科之一，有許多日常可見的農作物出自這一科，如油菜、白菜、西蘭花等。
2024 年 5 月 28 日，國際學術期刊《細胞》（Cell）在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心王佳偉研究團隊題為《十字花科一年生和多果多年生開花行為之間的相互轉換》（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鑑定到了三個決定植物多年生的關鍵基因，只要在多年生植物中敲除這三個基因，或者在一年生植物中轉入這三個多年生型基因，便可實現十字花科植物在多年生與一年生生活習性間互相轉換。
僅需改變三個基因便可實現十字花科植物一年生與多年生生活習性的互相轉換。圖片來源：參考文獻 [ 1 ]
什麼是多年生作物
根據完成一次生命周期所需要的時間，可以将植物簡單劃分為一年生、二年生和多年生。一年生植物在開花後會消耗大量能量用于產生種子，直至整株幹枯死亡。
而大部分多年生植物在開花以後會有節制地消耗能量，進而能夠保留部分能量和新芽，随後進入營養生長狀态（即長出新葉并茁壯發育），年年如此，在開花與營養生長的循環中實現長壽。
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性的事實人盡皆知，但是真正決定植物壽命的 " 開關 " 是什麼，卻不是十分清楚。
從應用的角度考慮，多年生作物是傳統一年生作物的有效補充，具有 " 一次播種，多次收獲 " 的特點，避免了反復耕作，不僅可以節約人力和機械成本，還可以保護土壤結構。
此外，多年生作物發達的根系能保證高的水肥利用，減少土壤流失，并将大氣中的碳固定在土層中，是我國推動農業可持續發展和應對未來氣候變化的重要戰略儲備。
從何尋來的多年生型基因
如何尋找決定植物多年生的基因呢？有一個邏輯簡單的研究策略，先找到一對可雜交的一年生與多年生植物組合，根據遺傳學常識推測，它們的子代既會有一年生也會有多年生，通過對子代進行基因型和表型關聯分析，就能夠找到決定植物多年生的基因。
上述研究策略聽起來十分簡單，然而全世界其他實驗室卻鮮有嘗試。究其原因，首先是技術限制，近十年來基因組測序技術和基因編輯技術飛速發展，讓越來越多的植物能被用于分子遺傳研究，這在以前是難以實現的。
更重要的原因是實際操作難度大、需要大量的勞動投入。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。跨越物種的遠緣雜交，能產生正常可育後代的概率極低，要想成功只能多做嘗試。
為此，早在十年以前王佳偉老師團隊就開始了對十字花科材料的收集，共涵蓋了須彌芥屬、糖芥屬、碎米荠屬、南芥屬等數百份植物材料。
團隊對收集來的植物首先進行生活習性（一年生還是多年生）考察，再評估基因組大小，結合形态特征和分子标記評估親緣關系，初步篩選有可能成功的 " 一年生多年生 " 植物組合。
随後便是漫長的嘗試，終于得到了兩對可產生後代的雜交組合，分别是須彌芥屬的喜馬拉雅須彌芥（Crucihimalaya himalaica）和卵葉須彌芥（Crucihimalaya wallichii）；糖芥屬的内華達糖芥（Erysimum nevadense）和小花糖芥（Erysimum cheiranthoides）。
多年生植物生活周期長，往往是今天種下的苗子，明年才能拿到實驗結果。在這期間，植物可能會因幹旱、長害蟲等因素產生脅迫，進而影響實驗數據，所以需要得到持續精心的照顧，因為從嚴謹的角度考慮，研究人員不希望植物因為幹旱、長害蟲等因素產生脅迫，進而影響實驗數據。這也意味着研究人員要放棄休長假的機會，植物不會因為人的假期而停止自己的生長。
多年生植物尤其是喜馬拉雅須彌芥，原生環境位于青藏高原，需要經歷長達五個月的低温處理（模拟冬季環境）才能夠開花。在人工模拟冬季的低温冷庫中，衰老的葉片很容易發黴腐爛，需要定期清理。
為了不讓植物受到温度波動的影響，這些操作往往是在冷庫内進行的，夏季穿着短袖短褲的科研人員在門外套件羽絨服就進入冷庫工作。
在冷庫中取材的研究人員。圖片來源：作者供圖
簡單梳理一下課題的時間線，2014 年開始課題， 2017 年獲得第一對一年生 / 多年生雜交組合， 2018 年獲得第二對雜交組合， 2022 年獲得實驗需要的全部突變體材料。發表論文中大部分的數據其實是在近三年完成的，然而上述在論文中表現不出來的付出才是構成它的基石。
工作的結論
通過遺傳定位，研究人員在須彌芥屬和糖芥屬均找到了三個決定植物生活習性的關鍵基因，分别為 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将多年生喜馬拉雅須彌芥的 FLC、FLM 和 MAF 基因逐個敲除，發現随着此類基因的逐個丢失會導致植物由多年生轉向二年生，再進一步轉向一年生。
結合轉錄組和表觀組數據，研究人員總結了決定植物多年生開花策略的核心分子機制。多年生植物的 FLC、FLM 和 MAF 基因在冬天來臨前抑制植物開花，冬季的低温會沉默此類基因的表達，因而植物可以在春季開花，之後随着温度的升高 FLC 等基因會重新激活，使植物結束花期重新回到營養生長狀态，如此歲歲年年花相似。
之後研究人員将多年生型的 FLC、FLM 和 MAF 基因轉入一年生（包括冬性一年生）的小花糖芥、拟南芥和油菜中，并成功使上述植物轉向多年生的生活習性。
王佳偉研究員正在觀察拟南芥實驗情況。圖片來源：作者供圖
未來的展望
理想中完美的科研工作需要包含兩大要素，有趣的科學故事以及實際應用價值。
總結來看，要利用現有理論基礎創制可應用的十字花科多年生作物，仍要走一段探索的路，温室條件下能夠多年生的油菜在處于田間更加復雜多變的環境下能否維持多年生？多年生生活習性的植物在開花結實的時候，部分能量給了種子，部分能量用以維持自身生存，這是否意味着多年生作物的產量會低于傳統作物？能否通過定向的分子設計，讓作物在產量和維持自身多年生之間達成一個完美的平衡？這些有潛力應用于實際生產的科學問題，将是接下來工作的重心。
參考文獻
[ 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
策劃制作
出品｜科普中國
作者｜王佳偉 翟東（中國科學院分子植物科學卓越創新中心）
監制｜中國科普博覽
責編丨楊雅萍
審校丨徐來 林林
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