上海科学家团队首次实现十字花科植物多年生与一年生自由转换为培育多年生油菜

一年生植物在一年内完成整个生活史，即从受精、种子萌发、开花、结果直至死亡。多年生植物在开花结果后并不会死亡，还会继续产生叶片，在来年继续开花结果，并如此循环往复。

科学家们认为，多年生作物具有一次播种多次收获的特点，可节约人力和机械成本，改善土壤结构，有助于维护国家粮食和生态安全。因此，培育和推广多年生作物具有重要的生产应用价值。

北京时间28日深夜，国际顶尖学术期刊《细胞》在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心王佳伟研究组题的最新研究成果。科研人员以具有丰富生活史(一年生、二年生和多年生)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决定多年生和植物生活史策略演化的关键基因。

图说:王佳伟研究员在观察拟南芥实验情况

探寻“苍老”又“年轻”的秘密

相较于高等动物，多年生高等植物拥有着不可思议的寿命极限。世界上最长寿的欧洲云杉已经9500岁；北非加纳利群岛上的龙血树也有8000岁；加利福尼亚州的狐尾松寿命能达到4700岁……它们“苍老”到连年轮都无法注释，只有通过碳14方法才能测算出高寿几何，但它们又依然“年轻”，依旧在每一个春天里绽放新绿。

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，多年生高等植物的基因组中有着数以万计的基因和数以亿计的碱基对，要找到决定多年生的关键基因犹如大海捞针。至今全世界还没有一个多年生基因被克隆，相关的演化路径仍不清楚。

科学家介绍，十字花科植物包括多种重要蔬菜和油料作物，大家耳熟能详的模式植物拟南芥亦属于该科。王佳伟研究团队通过对中国植物志的深入调研以及全世界范围内植物的收集，在十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，构建了两个生活史表型分离的遗传定位群体，并利用高通量测序技术确定每个单株的基因型。

“值得注意的是，在须弥芥属和糖芥属中都成功定位到了三个基因区间，提示十字花科植物的生活史策略演化具有跨物种保守性。”王佳伟表示，“对照模式植物拟南芥的基因功能注释，在这三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。”

图说:实验材料是采集于西藏的喜马拉雅须弥芥

多年生、二年生、一年生实现转变

为了验证三个基因对多年生以及生活史策略的影响，科研人员使用CRISPR/Cas9基因组编辑技术定向敲除多年生喜马拉雅须弥芥中的FLC、FLM和MAF基因，通过杂交手段将突变基因以不同的方式组合，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:当FLC、FLM和MAF三个基因都保持功能完好时，植物表现出稳健的多次结实多年生表型；缺失其中一个或两个基因会导致植物出现兼性生活史策略；而当三个基因完全缺失时，植物转变为一次结实一年生。

“基于众多实验结果，我们提出，在十字花科植物中，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。”中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士、论文共同第一作者翟东解释，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。

值得一提的是，通过导入多年生FLC基因，课题组成功将一年生模式植物拟南芥由一次结实一年生转变为多次结实多年生。研究结果显示，拟南芥等一年生植物具备成为多次结实多年生植物的先决条件。

“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。”王佳伟说，此外，由于多年生作物具有发达的根系，能保证高的水肥利用，减少土壤流失，并将大气中的碳固定在土层中，因此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。