Cell | 王佳伟研究组实现十字花科植物多年生与一年生生活习性的自由转换

植物科学最前沿 · 公众号 · · 2024-05-29 12:41

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Research

2024年5月28日，国际学术期刊 Cell 在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心、植物高效碳汇重点实验室（中国科学院）王佳伟研究组题为“ Reciprocal conversion between annual and polycarpic perennial flowering behavior in the Brassicaceae ”的研究论文。本文的研究策略是以具有丰富生活史（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。

研究背景

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。而多次结实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。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。

2022年，多年生稻的培育工作入选《科学》杂志评选的世界十大科技突破之一（排名第二）。通常认为，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，是全球农业绿色发展备受关注的重点领域。

上排：采集于西藏的实验植物糖芥（左）和喜马拉雅须弥芥

下排：赵波博士（左）和高健博士在西藏采集植物

研究内容

十字花科植物包括多种重要蔬菜和油料作物，模式植物拟南芥（ Arabidopsis thaliana ）也属于该科。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，于十字花科须弥芥属（ Crucihimalaya ）和糖芥属（ Erysimum ）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（ Crucihimalaya himalaica ）与内华达糖芥（ Erysimum nevadense ）为多次结实多年生植物（polycarpic perennial）；小花糖芥（ Erysimum cheiranthoides ）为一次结实一年生植物（monocarpic annual）；而卵叶须弥芥（ Crucihimalaya wallichii ）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，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。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 FLOWERING LOCUS C （ FLC ）、 FLOWERING LOCUS M （ FLM ）和 MADS AFFECTING FLOWERING （ MAF ），它们都具有抑制植物开花（生殖生长）的功能。

为了验证上述三个基因对多年生以及生活史策略的影响，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（弱多年生/二年生/冬性一年生）；而当三个基因完全缺失时，植物转变为一次结实一年生。

通过对亲本和F1代植物的RNA-seq和H3K27me3 ChIP-seq实验，发现一年生小花糖芥的FLC类MADS-box基因在春化后更倾向于被稳定抑制，而来自多年生内华达糖芥的基因在春化后则倾向于重置，这一差异是多次结实多年生植物生活习性建立的核心分子基础，并由基因自身的特异序列所决定。研究发现，尽管 FLC 、 FLM 和 MAF 亲缘关系较近，但是它们在基因功能与表达量以及重置时间与强度上都不尽相同。

基于以上实验结果，王佳伟研究团队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）是由三个FLC类MADS-box基因的剂量叠加效应所决定的连续过程（continuum）。 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。

最后，通过导入一个多年生 FLC 基因，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。这些研究结果提示，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，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。

FLC 类基因的剂量叠加效应决定十字花科植物生活史策略的多样化

(A) 喜马拉雅须弥芥生活史策略调控的遗传学基础。生活史策略主要由两个因素决定，即春化需求（vernalization requirement）和开花结实次数（parity）。对于春化作用，可以分为严格春化（obligate vernalization）、兼性春化（facultative vernalization）和不需要春化（None）三种。对开花结实次数，也可分为多次开花结实（polycarpic）、一次开花结实（monocarpic）和兼性（polycarpic/ monocarpic）三种。在喜马拉雅须弥芥中，FLC、FLM和MAF为三个同源、抑制植物开花的MADS-box类转录因子，它们的表达都会被春化所抑制，并在春化后重置。此外，这三个基因对于春化需求和开花结实次数的贡献程度不同（用图中分别用蓝色、青色和绿色表示，无色表示零贡献）。这三个基因的综合效应决定了春化需求（黑色实线框）和开花结实次数（紫色实线框）的阈值（threshold，由两个实线框中的两条虚线表示）。图中， C. him 为喜马拉雅须弥芥（ Crucihimalaya himalaica ）。野生型喜马拉雅须弥芥为多次开花多年生。当敲除 ChFLC 基因后，植物变为多次开花多年生或二年生，并严格依赖春化作用。当进一步敲除 ChFLM 基因后，植物变为冬性一年生，并呈现兼性春化特性。当 ChFLC 、 ChFLM 和 ChMAF 三个基因同时缺失时，喜马拉雅须弥芥则转变为一年生植物。图中黄色代表整株或部分植物组织已经枯萎死亡。方便起见，图中只展示了连续两年的生活史。

(B) 十字花科其它植物生活史策略调控的遗传学基础。其中， A. tha FRI ^SF2 FLC 为冬性一年生拟南芥（ Arabidopsis thaliana ）， C. wal 为弱多年生植物（即兼性多年生和冬性一年生）卵叶须弥芥（ Crucihimalaya wallichii ）， E. che 为一年生植物小花糖芥（ Erysimum cheiranthoides ）， E. nev 为多次开花植物内华达糖芥（ Erysimum nevadense ）。 FLC 、 FLM 和 MAF 在不同植物中的表达模式具有差异性，大致可以分为春化稳定抑制型（stably repressed type，纯色加竖线）和春化短暂抑制型（transiently repressed type，纯色）两种。三个同源MADS-box类基因不同的基因表达模式和贡献程度决定了不同的生活史策略（参考图A）。

该项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。

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