球胜天下

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2024年5月28日，国际学术期刊《细胞》Cell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。

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。

值得注意的是球胜天下，在须弥芥属和糖芥属中都成功定位到了三个基因区间球胜天下，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；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FLC类MADS-box基因剂量叠加所决定的连续过程（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。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心翟东博士、博士研究生张露怡、李凌子和徐洲更博士为该论文的共同第一作者，王佳伟研究员为通讯作者。刘晓丽、赵波、高健、王付祥博士，博士研究生商冠东也参与了相关工作。该研究得到了新基石研究员项目、国家自然科学基金委基础科学中心项目、中国科学院B类先导项目以及腾讯科学探索奖的资助。

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