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(shí)有著復(fù)雜的遺傳機(jī)制。

在植物學(xué)中，一年生植物會(huì)在一年的周期中經(jīng)歷發(fā)芽、生長(zhǎng)、開花、結(jié)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(jié)果、枝葉老去之后，在來年依舊能萌發(fā)新芽，循環(huán)往復(fù)，歷經(jīng)數(shù)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(qū)它們卻成了多年生植物。人們對(duì)于轉(zhuǎn)變背后的進(jìn)化模式和遺傳基礎(chǔ)仍然知之甚少。

在追求農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)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(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的投入，降低生產(chǎn)成本，還能對(duì)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生積極影響。但是多年生作物的繁殖難題一直是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。那么，到底是什么遺傳機(jī)制調(diào)控一年生轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄晟参锬兀课覀兡芊窠馕鲞@種轉(zhuǎn)變機(jī)制，進(jìn)而調(diào)控植物的生長(zhǎng)周期，為農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展出一份力，實(shí)現(xiàn)年年豐收的愿景呢？

圖1. 一年生與多年生植物轉(zhuǎn)化模型（圖片來自原文）

研究人員首先對(duì)十字花科的所有屬進(jìn)行了篩選比較，獲得了兩個(gè)二倍體多果多年生物種作為模型進(jìn)行研究，分別是來自SENDAI擬南芥種子儲(chǔ)備中心（SASSC）的喜馬拉雅須彌芥（Crucihimalaya himalaica）和來自USDA-ARS種質(zhì)資源信息網(wǎng)絡(luò)（GRIN）的內(nèi)華達(dá)糖芥（E. nevadense），喜馬拉雅須彌芥生長(zhǎng)在青藏高原，是研究環(huán)境下物種形成和生態(tài)適應(yīng)的新模型系統(tǒng)，而內(nèi)華達(dá)糖芥是內(nèi)華達(dá)山脈山峰的種。對(duì)他們?cè)谏L(zhǎng)室條件下的生長(zhǎng)習(xí)性進(jìn)行表征，E. nevadense在長(zhǎng)日照（LDs）中表現(xiàn)出與C. himalaica相當(dāng)?shù)拈_花表型（圖2），且經(jīng)過兩個(gè)月的冷處理之后可以進(jìn)行新一輪的開花。表明在研究人員的生長(zhǎng)室條件下，喜馬拉雅須彌芥和內(nèi)華達(dá)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(jìn)行系統(tǒng)的遺傳學(xué)研究，研究人員又篩選出了與喜馬拉雅須彌芥和內(nèi)華達(dá)糖芥同屬的植物，一次結(jié)果一年生植物小花糖芥（Erysimum cheiranthoides）和呈現(xiàn)出兼性冬性一年生/多次結(jié)實(shí)多年生特征的卵葉須彌芥（Crucihimalaya wallichii）。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)利用基因組測(cè)序技術(shù)對(duì)四種植物的基因組進(jìn)行了測(cè)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(shù)確定了兩個(gè)屬中負(fù)責(zé)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(gè)基因區(qū)間（FLC、FLM和MAF）。通過比對(duì)模式生物擬南芥的基因功能注釋，結(jié)果顯示這三個(gè)遺傳區(qū)間內(nèi)存在一類親緣關(guān)系密切的MADS-box轉(zhuǎn)錄因子編碼基因，它們都具有抑制植物開花（生殖生長(zhǎng)）的功能。

圖3. 春化需求和多年生多果植物生長(zhǎng)習(xí)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(dá)分析技術(shù)，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(shù)生成FLC、FLM和MAF基因的功能缺失突變體，即在編碼區(qū)內(nèi)或兩側(cè)設(shè)計(jì)兩個(gè)單向?qū)NA（sgRNAs），創(chuàng)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(gè)突變體在春化之后都可以恢復(fù)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)（即形成新的營(yíng)養(yǎng)芽，如圖5A所示），都顯示出了對(duì)于春化的需求。與Chflc和Chflm突變株相比，Chmaf需要更長(zhǎng)時(shí)間的冷處理（18周）才能飽和春化需求。結(jié)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(huì)影響植物的開花時(shí)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(shí)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(xiàn)了植物從多次結(jié)實(shí)多年生逐漸演化為二年生再轉(zhuǎn)變?yōu)橐荒晟能壽E：當(dāng)FLC、FLM和MAF三個(gè)基因都保持功能完好時(shí)，植物表現(xiàn)出穩(wěn)健的多次結(jié)實(shí)多年生表型。缺失其中一個(gè)或兩個(gè)基因會(huì)導(dǎo)致植物出現(xiàn)兼史策略，Chflc Chflm雙突變體表現(xiàn)出冬季一年生表型，在LDs中產(chǎn)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(zhuǎn)變?yōu)榱硕晟参铮?span style="box-sizing: border-box;padding: 0px;-webkit-tap-highlight-color: transparent">Chflc Chflm突變體顯示出了一年生表型，當(dāng)在LDs中連續(xù)生長(zhǎng)時(shí)，Chflc Chflm植物最終可以開花（圖5A）。而當(dāng)三個(gè)基因缺失時(shí)，Chflc Chflm Chmaf三突變體植物轉(zhuǎn)變?yōu)橐荒晟参铮▓D5B和5C）。這些發(fā)現(xiàn)與繪圖（圖1）結(jié)果一致，并表明以下幾點(diǎn)：

為了更深入地研究這些基因的表達(dá)調(diào)控機(jī)制，研究人員利用染色質(zhì)免疫沉淀測(cè)序（ChIP-seq）和RNA測(cè)序（RNA-seq）技術(shù)，研究了類FLC基因與染色質(zhì)結(jié)合的位點(diǎn)和下游靶基因的表達(dá)變化。揭示了從多果多年生到二年和一年生開花行為的轉(zhuǎn)變是由三個(gè)密切相關(guān)的MADS-box基因的劑量決定的連續(xù)體。多年生植物中，類FLC基因在低溫處理后表達(dá)量會(huì)降低，隨后恢復(fù)，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(dá)模式、功能強(qiáng)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(shí)間和胎次（圖片來自原文）

最后，研究人員利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，嘗試培育了一種多果多年生開花甘藍(lán)型油菜植物。通過構(gòu)建轉(zhuǎn)基因植物，實(shí)現(xiàn)多年生類FLC基因的高表達(dá)水平，如圖7，在春化后可以恢復(fù)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，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(zhuǎn)化（圖片來自原文）

這項(xiàng)研究揭示了植物生命周期轉(zhuǎn)變的遺傳機(jī)制，為培育新的多年生作物提供了理論基礎(chǔ)。通過改變植物中類FLC基因的表達(dá)，可以培育出適應(yīng)不同環(huán)境和需求的多年生作物，例如，培育多年生蔬菜可以減少農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低生產(chǎn)成本，并減少化肥和農(nóng)藥的使用，從而更加環(huán)保。培育多年生花卉可以美化環(huán)境，減少城市綠化成本，并提高城市生態(tài)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(shù)，并增加土壤有機(jī)質(zhì)，從而提高土壤肥力。

當(dāng)然，還有許多問題需要解決，如這三個(gè)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(jī)制有待進(jìn)一步研究。盡管研發(fā)人員能夠在生長(zhǎng)室條件下恢復(fù)冬生甘油菜在春化后的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，但尚不清楚這些植物在田間是否能表現(xiàn)為真正的多果多年生植物。讓我們一起期待未來研發(fā)人員的進(jìn)一步研究！

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中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)創(chuàng)新中心

實(shí)驗(yàn)信息：目的片段3,000 bp

圖8. 10167擴(kuò)增3 kb大腸桿菌菌落，擴(kuò)增效率高，產(chǎn)量高，性能優(yōu)于競(jìng)品。延伸時(shí)間40 sec，循環(huán)數(shù)35 cycles?？偡磻?yīng)體系10 μL。

客戶評(píng)價(jià)：本產(chǎn)品進(jìn)行大腸桿菌菌P鑒定很適合而且擴(kuò)增速度很快，大大的表揚(yáng)！