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发布日期：2024-07-24 作者：开云
若何让植物在每个春季都焕产生机？
一年生植物在一年内完成全部糊口史，即从受精、种子萌生、开花、成果直至灭亡。
而屡次开花多年生植物在开花成果后其实不会灭亡，还会继续发生叶片，在来年继续开花成果，并如斯轮回来去。
相较在高档动物，多年生高档植物具有着不成思议的寿命极限。世界上最长命的欧洲云杉已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到达4700岁……它们“苍老”到比年轮都没法注释，只有经由过程碳14方式才能测算出遐龄几何，但它们又仍然“年青”，照旧在每个春季里绽放新绿。
一般认为，多年生植物更加古老，一年生植物是由多年生先人演变而来。但是，多年生高档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，要找到决议多年生的要害基因如同年夜海捞针。至今全球还没有一个多年生基因被克隆，相干的演变路径仍不清晰。
2022年，多年生稻的培养工作入选《科学》杂志评选的世界十年夜科技冲破之一（排名第二）。凡是认为，多年生作物具有一次播种屡次收成的特点，可节俭人力和机械本钱，改良泥土布局，有助在保护国度食粮和生态平安。是以，培养和推行多年生作物具有主要的出产利用价值，是全球农业绿色成长备受存眷的重点范畴。
2024年5月28日，国际学术期刊《细胞》Cell在线颁发了中国科学院份子植物科学出色立异中间王佳伟研究组题为“Reciprocal conversion between annual and polycarpic perennial flowering behavior in the Brassicaceae（十字花科植物一年生与多年生的自由转换）”的研究论文。本文的研究策略是以具有丰硕糊口史（一年生、二年生和多年生）策略变异的植物属种为模式，经由过程构建跨物种遗传群体和正向遗传学手段定位决议多年生和植物糊口史策略演变的要害基因。
一年生植物（annual）在开花后全株枯萎灭亡，没有分生组织（meristem）保存；屡次开花多年生植物（polycarpic perennial）在开花后可以答复营摄生长，以此保存部门分生组织，支持多年发展。研究发现，同时敲除3个FLC类MADS-box基因可以致使十字花科多年生植物向一年生的转换，而在一年生植物中表达一个多年生类型的FLC基因便可以让一年生植物变成多年生。 本文均为 受访者 供图
十字花科植物包罗多种主要蔬菜和油料作物，模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）也属在该科。王佳伟研究团队经由过程对中国植物志的深切调研和全球规模内植物的搜集，在十字花开云体育app科须弥芥属（Crucihimalaya）和糖芥属（Erysimum）平分别拔取了一对可杂交的一年生/多年生植物组合。
此中，喜马拉雅须弥芥（Crucihimalaya himalaica）与内华达糖芥（Erysimum nevadense）为屡次坚固多年生植物（polycarpic perennial）；小花糖芥（Erysimum cheiranthoides）为一次坚固一年生植物（monocarpic annual）；而卵叶须弥芥（Crucihimalaya wallichii）则显现出兼性冬性一年生/屡次坚固多年生特点。
在此根本上，研究团队构建了两个糊口史表型分手的遗传定位群体，并操纵高通量测序手艺肯定每一个单株的基因型。
尝试材料：收集在西藏的喜马拉雅须弥芥
值得留意的是，在须弥芥属和糖芥属中都成功定位到了三个基因区间，提醒十字花科植物的糊口史策略演变具有跨物种守旧性。对比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紧密亲密的MADS-box转录因子编码基因，即FLOWERING LOCUS C（FLC）、FLOWERING LOCUS M（FLM）和MADS AFFECTING FLOWERING（MAF），它们都具有按捺植物开花（生殖发展）的功能。
为了验证上述三个基因对多年生和糊口史策略的影响，利用CRISPR/Cas9基因组编纂手艺定向敲除多年生喜马拉雅须弥芥中的FLC、FLM和MAF基因，经由过程杂交手段将突变基因以分歧的体例组合，成功再现了植物从屡次坚固多年生逐步演变为二年生再改变为一年生的轨迹：当FLC、FLM和MAF三个基因都连结功能无缺时，植物表示出稳健的屡次坚固多年生表型；缺掉此中一个或两个基因会致使植物呈现兼性糊口史策略；而当三个基因完全缺掉时，植物改变为一次坚固一年生。
经由过程对亲本和F1代植物的RNA-seq和H3K27me3 ChIP-seq尝试，发现一年生小花糖芥的FLC类MADS-box基因在春化后更偏向在被不变按捺，而来自多年生内华达糖芥的基因在春化后则偏向在重置，这一差别是屡次坚固多年生植物糊口习性成立的焦点份子根本，并由基因本身的特异序列所决议。研究发现，虽然FLC、FLM和MAF亲缘关系较近，可是它们在基因功能与表达量和重置时候与强度上都不尽不异。
研究员在进行尝试
基在以上尝试成果，王佳伟研究团队提出在十字花科植物中，糊口史策略的演化（即多年生/二年生/一年生之间的改变）是由FLC类MADS-box基因剂量叠加所决议的持续进程（continuum）。FLC、FLM和MAF基因在表达模式、卵白功能、表不雅重置模式上的多样化和它们分歧的摆列组合使得植物可以或许具有丰硕多样糊口史策略，以顺应多变的发展情况。
最后，经由过程导入多年生FLC基因，成功将一年生模式植物拟南芥由一次坚固一年生改变为屡次坚固多年生。
研究成果显示，拟南芥等一年生植物具有成为屡次坚固多年生植物的先决前提。多年生FLC类MADS-box基因多是十字花科植物多年生糊口习性成立的充要前提。
该项研究在国际上初次实现了十字花科植物多年生与一年生的自由转换，为将来精准设计、定向培养顺应特定天气地舆情况的多年生油菜作物品种奠基了理论根本。
另外，因为多年生作物具有发财的根系，能包管高的水肥操纵，削减泥土流掉，并将年夜气中的碳固定在土层中，是以设计多年生十字花科植物也将有益在我国农业的可延续成长和双碳方针的实现。
中国科学院份子植物科学出色立异中间翟东博士、博士研究生张露怡、李凌子和徐洲更博士为该论文的配合第一作者，王佳伟研究员为通信作者。刘晓丽、赵波、高健、王付祥博士，博士研究生商冠东也介入了相干工作。该研究获得了新基石研究员项目、国度天然科学基金委根本科学中间项目、中国科学院B类先导项目和腾讯科学摸索奖的帮助。
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