一年生植物在一年內完成整個生活史，即從受精、種子萌發、開花、結果直至死亡。多年生植物在開花結果后并不會死亡，還會繼續產生葉片，在來年繼續開花結果，并如此循環往復。

科學家們認為，多年生作物具有一次播種多次收獲的特點，可節約人力和機械成本，改善土壤結構，有助于維護國家糧食和生態安全。因此，培育和推廣多年生作物具有重要的生產應用價值。

北京時間28日深夜，國際頂尖學術期刊《細胞》在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心王佳偉研究組題的最新研究成果。科研人員以具有豐富生活史(一年生、二年生和多年生)策略變異的植物屬種為模式，通過構建跨物種遺傳群體和正向遺傳學手段定位決定多年生和植物生活史策略演化的關鍵基因。

圖說:王佳偉研究員在觀察擬南芥實驗情況

探尋“蒼老”又“年輕”的秘密

相較于高等動物，多年生高等植物擁有著不可思議的壽命極限。世界上最長壽的歐洲云杉已經9500歲；北非加納利群島上的龍血樹也有8000歲；加利福尼亞州的狐尾松壽命能達到4700歲……它們“蒼老”到連年輪都無法注釋，只有通過碳14方法才能測算出高壽幾何，但它們又依然“年輕”，依舊在每一個春天里綻放新綠。

一般認為，多年生植物更為古老，一年生植物是由多年生祖先演化而來。然而，多年生高等植物的基因組中有著數以萬計的基因和數以億計的堿基對，要找到決定多年生的關鍵基因猶如大海撈針。至今全世界還沒有一個多年生基因被克隆，相關的演化路徑仍不清楚。

科學家介紹，十字花科植物包括多種重要蔬菜和油料作物，大家耳熟能詳的模式植物擬南芥亦屬于該科。王佳偉研究團隊通過對中國植物志的深入調研以及全世界范圍內植物的收集，在十字花科須彌芥屬和糖芥屬中分別選取了一對可雜交的一年生/多年生植物組合，構建了兩個生活史表型分離的遺傳定位群體，并利用高通量測序技術確定每個單株的基因型。

“值得注意的是，在須彌芥屬和糖芥屬中都成功定位到了三個基因區間，提示十字花科植物的生活史策略演化具有跨物種保守性。”王佳偉表示，“對照模式植物擬南芥的基因功能注釋，在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，即FLC、FLM和MAF，它們都具有抑制植物開花的功能。”

圖說:實驗材料是采集于西藏的喜馬拉雅須彌芥

多年生、二年生、一年生實現轉變

為了驗證三個基因對多年生以及生活史策略的影響，科研人員使用CRISPR/Cas9基因組編輯技術定向敲除多年生喜馬拉雅須彌芥中的FLC、FLM和MAF基因，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性生活史策略；而當三個基因完全缺失時，植物轉變為一次結實一年生。

“基于眾多實驗結果，我們提出，在十字花科植物中，多年生、二年生、一年生之間的轉變是由FLC類MADS-box基因劑量疊加所決定的連續過程。”中國科學院分子植物科學卓越創新中心博士、論文共同第一作者翟東解釋，FLC、FLM和MAF基因在表達模式、蛋白功能、表觀重置模式上的多樣化以及它們不同的排列組合使得植物能夠擁有豐富多樣生活史策略，以適應多變的生長環境。

值得一提的是，通過導入多年生FLC基因，課題組成功將一年生模式植物擬南芥由一次結實一年生轉變為多次結實多年生。研究結果顯示，擬南芥等一年生植物具備成為多次結實多年生植物的先決條件。

“研究在國際上首次實現了十字花科植物多年生與一年生的自由轉換，為未來精準設計、定向培育適應特定氣候地理環境的多年生油菜作物品種奠定了理論基礎。”王佳偉說，此外，由于多年生作物具有發達的根系，能保證高的水肥利用，減少土壤流失，并將大氣中的碳固定在土層中，因此設計多年生十字花科植物也將有利于我國農業的可持續發展和雙碳目標的實現。