多年生还是一年生？科学家揭示植物寿命的“开关”

5月28日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员王佳伟研究组，以具有丰富生活史策略变异的植物属种为模式，通过构建跨物种遗传群体和正向遗传学手段，定位了决定多年生和植物生活史策略演化的关键基因。相关研究发表于《细胞》。

一般认为，多年生植物更为古老，一年生植物是由多年生祖先演化而来。然而，至今还没有一个多年生基因被克隆，相关的演化路径仍不清楚。

研究组在字花科须弥芥属和糖芥属中分别选取了一对可杂交的一年生/多年生植物组合。其中，喜马拉雅须弥芥与内华达糖芥为多次结实多年生植物；小花糖芥为一次结实一年生植物；卵叶须弥芥则呈现出兼性冬性一年生/多次结实多年生特征。在此基础上，研究人员构建了2个生活史表型分离的遗传定位群体，并定位了3个基因区间。这3个遗传区间内存在一类亲缘关系密切的MADS-box转录因子编码基因，即FLC、FLM和MAF，它们都具有抑制植物开花的功能。 

采集于西藏的喜马拉雅须弥芥。图片由研究组提供

研究组使用CRISPR/Cas9基因组编辑技术和杂交手段，成功再现了植物从多次结实多年生逐渐演化为二年生再转变为一年生的轨迹，且进一步发现了多次结实多年生植物生活习性建立的核心分子基础。

基于实验结果，王佳伟研究组提出，在十字花科植物中，生活史策略的演变（即多年生/二年生/一年生之间的转变）是由FLC类MADS-box基因剂量叠加所决定的连续过程。FLC、FLM和MAF基因在表达模式、蛋白功能、表观重置模式上的多样化以及它们不同的排列组合使得植物能够拥有丰富多样生活史策略，以适应多变的生长环境。其中，多年生FLC类MADS-box基因可能是十字花科植物多年生生活习性建立的充要条件。

王佳伟表示，该研究在国际上首次实现了十字花科植物多年生与一年生的自由转换，为未来精准设计、定向培育适应特定气候地理环境的多年生油菜作物品种奠定了理论基础。此外，由于多年生作物具有发达的根系，能提高水肥利用、减少土壤流失，并将大气中的碳固定在土层中，设计多年生十字花科植物也将有利于我国农业的可持续发展和双碳目标的实现。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.04.047