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你是否曾想過，為什么有些植物一年只開一次花，而有些植物卻可以年年開花？這背后，其實有著復雜的遺傳機制。
在植物學中，一年生植物會在一年的周期中經歷發芽、生長、開花、結果，直至死亡。比如大豆、玉米、土豆等作物。而多年生植物在開花、結果、枝葉老去之后，在來年依舊能萌發新芽，循環往復，歷經數年，如冬小麥、白菜、胡蘿卜等。一年生與多年生植物之間并不存在著一道界線分明的分水嶺。比如，紅薯、鼠曲草在日本屬于一年生草本植物，而在熱帶地區它們卻成了多年生植物。人們對于轉變背后的進化模式和遺傳基礎仍然知之甚少。
在追求農業可持續發展的今天，多年生作物的重要性不言而喻。它們不僅能夠減少農業勞動力的投入，降低生產成本，還能對環境保護產生積極影響。但是多年生作物的繁殖難題一直是農業領域的挑戰。那么，到底是什么遺傳機制調控一年生轉變為多年生植物呢？我們能否解析這種轉變機制，進而調控植物的生長周期，為農業的可持續發展出一份力，實現年年豐收的愿景呢？
2024年5月28日，國際頂級期刊Cell在線發表了中國科學院分子植物科學創新中心王佳偉團隊的最新研究：“Reciprocal conversion between annual and polycarpic perennial flowering behavior in the Brassicaceae"。該研究揭示了十字花科植物中，一年生和多果多年生開花行為的轉變機制，并利用基因編輯技術成功將一年生植物變成多年生植物，為培育新型多年生作物提供了理論基礎。
圖1. 一年生與多年生植物轉化模型（圖片來自原文）
研究人員首先對十字花科的所有屬進行了篩選比較，獲得了兩個二倍體多果多年生物種作為模型進行研究，分別是來自SENDAI擬南芥種子儲備中心（SASSC）的喜馬拉雅須彌芥（Crucihimalaya himalaica）和來自USDA-ARS種質資源信息網絡（GRIN）的內華達糖芥（E. nevadense），喜馬拉雅須彌芥生長在青藏高原，是研究環境下物種形成和生態適應的新模型系統，而內華達糖芥是內華達山脈山峰的種。對他們在生長室條件下的生長習性進行表征，E. nevadense在長日照（LDs）中表現出與C. himalaica相當的開花表型（圖2），且經過兩個月的冷處理之后可以進行新一輪的開花。表明在研究人員的生長室條件下，喜馬拉雅須彌芥和內華達糖芥都是典型的多年生多果植物。
圖2. 兩種多果多年生模型的表征（圖片來自原文）
為了進行系統的遺傳學研究，研究人員又篩選出了與喜馬拉雅須彌芥和內華達糖芥同屬的植物，一次結果一年生植物小花糖芥（Erysimum cheiranthoides）和呈現出兼性冬性一年生/多次結實多年生特征的卵葉須彌芥（Crucihimalaya wallichii）。
在此基礎上，研究團隊利用基因組測序技術對四種植物的基因組進行了測序和組裝，獲得了這些植物的基因組信息，并通過基因定位技術確定了兩個屬中負責開花行為自然變異的基因。如圖3，在須彌芥屬和糖芥屬中都成功定位到了三個基因區間（FLC、FLM和MAF）。通過比對模式生物擬南芥的基因功能注釋，結果顯示這三個遺傳區間內存在一類親緣關系密切的MADS-box轉錄因子編碼基因，它們都具有抑制植物開花（生殖生長）的功能。
圖3. 春化需求和多年生多果植物生長習性的遺傳圖譜（圖片來自原文）
研究人員利用基因克隆和表達分析技術，研究了三種基因（FLC、FLM和MAF）在植物開花行為中的作用。首先，通過CRISPR-Cas9基因編輯技術生成FLC、FLM和MAF基因的功能缺失突變體，即在編碼區內或兩側設計兩個單向導RNA（sgRNAs），創建了具有大片段缺失的突變體。在喜馬拉雅須彌芥中獲得了FLC、FLM和MAF的單一突變體，分別將其命名為Chflc、Chflm和Chmaf。
圖4. 須彌芥屬和糖芥屬中類FLC MADS-box基因突變體的生成（圖片來自原文）
其次，觀察突變體的表型變化。3個突變體在春化之后都可以恢復營養生長（即形成新的營養芽，如圖5A所示），都顯示出了對于春化的需求。與Chflc和Chflm突變株相比，Chmaf需要更長時間的冷處理（18周）才能飽和春化需求。結果顯示，FLC、FLM和MAF基因之間存在功能冗余，其中任何一種基因的突變都會影響植物的開花時間，但不同基因的影響程度不同。
圖5. 喜馬拉雅須彌芥和卵葉須彌芥類FLC的MADS-box基因突變體的開花時間和胎次（圖片來自原文）
接著，通過雜交手段將突變基因以不同的方式組合，成功再現了植物從多次結實多年生逐漸演化為二年生再轉變為一年生的軌跡：當FLC、FLM和MAF三個基因都保持功能完好時，植物表現出穩健的多次結實多年生表型。缺失其中一個或兩個基因會導致植物出現兼史策略，Chflc Chflm雙突變體表現出冬季一年生表型，在LDs中產生150片葉子后開花（圖5C），春化可以加速開花（圖5E），即從多年生植物轉變為了二年生植物；Chflc Chflm突變體顯示出了一年生表型，當在LDs中連續生長時，Chflc Chflm植物最終可以開花（圖5A）。而當三個基因缺失時，Chflc Chflm Chmaf三突變體植物轉變為一年生植物（圖5B和5C）。這些發現與繪圖（圖1）結果一致，并表明以下幾點：
ChFLC、ChFLM和ChMAF對春化的調控存在功能冗余；
ChFLC和ChFLM的共同作用確保了喜馬拉雅多果多年生生長習性；
ChMAF強烈抑制開花，主要在春化中發揮作用。
為了更深入地研究這些基因的表達調控機制，研究人員利用染色質免疫沉淀測序（ChIP-seq）和RNA測序（RNA-seq）技術，研究了類FLC基因與染色質結合的位點和下游靶基因的表達變化。揭示了從多果多年生到二年和一年生開花行為的轉變是由三個密切相關的MADS-box基因的劑量決定的連續體。多年生植物中，類FLC基因在低溫處理后表達量會降低，隨后恢復，這與多年生植物可以多次開花的特性相符。這些基因的表達模式、功能強度和組合的多樣化賦予了物種采用各種生活史策略的潛力。
圖6. 小花糖芥中NILs的開花時間和胎次（圖片來自原文）
最后，研究人員利用轉基因技術，嘗試培育了一種多果多年生開花甘藍型油菜植物。通過構建轉基因植物，實現多年生類FLC基因的高表達水平，如圖7，在春化后可以恢復營養生長，這些一年生植物變成了多年生植物，可以多次開花。
圖7. 十字花科一年生植物向多果多年生開花植物的轉化（圖片來自原文）
這項研究揭示了植物生命周期轉變的遺傳機制，為培育新的多年生作物提供了理論基礎。通過改變植物中類FLC基因的表達，可以培育出適應不同環境和需求的多年生作物，例如，培育多年生蔬菜可以減少農民的勞動強度，降低生產成本，并減少化肥和農藥的使用，從而更加環保。培育多年生花卉可以美化環境，減少城市綠化成本，并提高城市生態效益。此外，培育多年生作物還可以提高土地利用率，減少耕作次數，并增加土壤有機質，從而提高土壤肥力。
當然，還有許多問題需要解決，如這三個基因極有可能在控制植物壽命方面也起著冗余作用，但其確切機制有待進一步研究。盡管研發人員能夠在生長室條件下恢復冬生甘油菜在春化后的營養生長，但尚不清楚這些植物在田間是否能表現為真正的多果多年生植物。讓我們一起期待未來研發人員的進一步研究！
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