中国科学家揭秘植物生长“开关”|中国科学家_新浪财经

　　刘耀文

　　日前，一则中国科学家发现植物生命周期“控制开关”的消息受到瞩目。国际学术期刊《细胞》（Cell）在线发表了一篇来自中国科学院分子植物科学卓越创新中心的论文，该研究在十字花科植物中成功鉴定出3个决定植物多年生的关键基因，可能实现植物在多年生与一年生生活习性间互相转换。

　　这一研究成果具有战略意义，如果未来顺利从实验室走到田间，对我国农业发展的助益不可估量。那么，植物的生长周期如何转换？这种转换能实现“今年种年年收”的丰收愿景吗？在这种改变的背后，还有哪些问题需要关注呢？

十字花科植物品种众多，包括卷心菜、花椰菜、萝卜、羽衣甘蓝、罗马菜、芝麻菜等。

有十字形花冠的萝卜花

　　植物分为“一年生”“多年生”

　　俗话说：“春种一粒粟，秋收万颗子”。无论是小麦、水稻、玉米这类主粮，还是白菜、番茄、豆角等蔬菜，千百年来都是春天播种，然后等着成长收获。但还有一些农作物与此不同，其中最典型的就是韭菜，春天种下后，可以一茬又一茬地收获，芦笋、百合等蔬菜也是如此。

　　那么，为何有的农作物是一年一种，有的播种一次就可以源源不断地收获呢？这其实涉及植物学上的两个重要概念：一年生和多年生。

　　植物的完整生命周期从种子发芽开始，经历生长、开花、结果，最后死亡。但对于植物来说，这个生命周期可长可短。如果它的一生基本上在一年内的一个生长季完成，就被称作一年生植物，典型代表就是五谷（稻黍稷麦菽），所以两千年前荀子就有一句著名的箴言：“春耕、夏耘、秋收、冬藏，四者不失时，故五谷不绝。”与之相对的是，如果一种植物能够存活超过两年，并且在多个生长季节内持续生长和繁殖，就叫作多年生植物。多年生植物在每年结束时并不会死亡，而是进入了休眠状态，等到来年新的生长季到来，它们无需耕种，就可直接发育。

　　另外，自然界还存在二年生植物，其特点介于一年生和多年生植物之间。它在种子萌发的当年长出根茎叶，然后在寒冷季节进入冬眠。次年，它在前一年的发育基础上壮大，然后开花、结果，完成整个生命周期。值得一提的是，二年生植物度过冬天和早春这个低温阶段对其发育十分关键，这种现象被称作“春化现象”。这一类植物的代表便是鼎鼎大名的“冬小麦”。

　　总结来说，自然界的植物存在一年生、二年生、多年生的特性，有的植物还占据了两种特性。其中，一年生植物在一年内完成全部生长发育，生长周期较短、生长速度较快，现代农业中的大多数农作物都是一年生植物，如土豆、南瓜、西红柿等。二年生植物以两年时间完成全部生长发育，生长周期较长，丰产性优于一年生植物，常见的有芹菜、甘蓝等。多年生植物每一年都会生长，如桃树、梨树、桑树等，其所含养分较多，有助于土壤肥力的积累，能起到改良土壤的作用。

　　研究生命周期首选十字花科

　　如上所述，既然小麦的生命周期并不只有一年生这一种，想必类似情况在资源丰富的自然界中还存在，那不妨做一个大胆的假设：植物的生命周期能不能改变，以实现“今年种年年收”的丰收愿景呢？

　　验证这一假设，先要搞清楚一个重要的科学问题：到底是什么在决定植物的生命周期？

　　研究一年生、多年生的秘密，理论上倒是不难。先找到一对可杂交的一年生与多年生植物组合直接杂交，再对其后代进行性状关联分析（根据遗传学常识推测，这样杂交的子代会出现一年生，也会出现多年生），就能够找到决定植物多年生的基因。

　　但问题是，在进入实践操作前，需找到合适的实验植物材料。

　　别看自然界中植物多达37万种，但想找到符合杂交条件的一年生和多年生植物很难。而且，虽然植物杂交在某种程度上比动物杂交要自由，但如果分类上离得太远的话，也没办法进行杂交。

　　一年生与多年生植物，在分类上往往同属不同种，存在生殖隔离，能产生正常可育后代的概率极低。好比把一年生的水稻和多年生的韭菜放在一起，它们依然是各自繁殖而不会杂交，这就是很典型的生殖隔离。所以，要想杂交，得尽可能地在一个分类关系相对较近的范围内进行，才有可能降低生殖隔离的风险，从而提高杂交的可行性。

　　于是，中国科学家开始寻找这种植物，经过一系列探索，最终锁定了十字花科植物（因拥有十字形的花冠而得名）。

　　为什么会选择十字花科植物？首先，十字花科植物涵盖了研究所需要的生命周期特性，一年生、多年生都有，而且既可以自交又可以杂交，因此研究起来比较好操作。其次，十字花科植物包含了经典的“模式生物”（被选定进行科学研究的生物物种）拟南芥，这是堪比实验小白鼠的存在，绝大多数经典植物实验都是以拟南芥作为实验对象的，可以积累非常丰富的科研经验和数据。此外，十字花科拥有3000多种植物，研究选择范围广，其中还包括十分常见的农作物，如白菜、萝卜、油菜、花椰菜等。

　　3个关键基因揭秘生长“开关”

　　尽管研究人员选定了十字花科，但想进行具体研究还得缩小范围，这个过程是很漫长的。

　　首先是对十字花科植物进行生活习性的考察。中科院的研究人员收集了须弥芥属、糖芥属、碎米荠属、南芥属等数百份植物材料，进行详细的分析和记录，然后对这些植物的基因组进行评估。

　　为什么要评估植物基因组呢？这不得不提到一个现实的问题——基因组和工作量。由于植物的性状受到基因控制，所以寻找生命周期“控制开关”的本质是寻找具体的基因。而基因组是指一个生物体所有遗传物质的总和，基因组越庞大，意味着要筛选的基因规模越大、难度越高。植物基因组的特殊之处就是基因组往往很庞大，人类是二倍体，植物却经常出现多倍体，更别提各种重复序列和非编码区域，甚至一个属内的植物都会出现基因组差异悬殊的情况，因此，研究人员必须对其进行细致筛选，以及结合形态特征和分子标记等来评估亲缘关系，以便更好地进行杂交选择。

　　最终，研究人员选定了两个组合，分别是须弥芥属的喜马拉雅须弥芥和卵叶须弥芥；糖芥属的内华达糖芥和小花糖芥。这样的组合很精妙，一方面，每个组合都在一个属内，亲缘关系很近，生殖隔离容易被突破；另一方面，每个组合内既有多年生又有一年生，具有了不同的生命周期。

　　万事俱备，接下来就是长达10年的实验。研究植物生命周期本就漫长，毕竟“多年生”真的代表着多个年份，相当长的时间。研究团队从2014年开始，到2017年才获得了第一对一年生/多年生杂交组合，翌年又获得第二对杂交组合，直到2022年才完成了全部的突变体材料准备。

　　下一步，就到了“定位具体负责生命周期的基因”的阶段了。研究人员结合全基因组信息、杂交作物的春化要求、开花习性等多种信息进行交互对应分析，最终实现了基因定位，一共找到3个与植物生命周期相关的基因，分别是FLC、FLM 和MAF，它们也是与植物开花相关的基因。

　　为了验证这3个基因是否真能决定植物的生命周期，研究人员还利用基因编辑技术对这些基因一一进行了敲除研究，结果发现这些基因的缺失会导致植物从多年生变为二年生并最终成为一年生。反过来，如果把这些基因转到一年生植物中，那么植物就会从一年生变为多年生。值得一提的是，研究人员还选择了一种重要的十字花科植物——油菜进行了尝试，成功让油菜从一年生变为了多年生。

　　至此，研究人员终于揭示了植物生命周期的秘密，有多个基因共同发挥作用来控制植物的开花行为，而温度是影响这些基因开关的重要环境因素。今年5月28日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心王佳伟研究团队在国际学术期刊《细胞》上发表了题为“十字花科一年生和多果多年生开花行为之间的相互转换”的研究论文，宣布在十字花科植物中找到3个决定植物多年生的关键基因，只要在多年生植物中敲除这3个基因，或者在一年生植物中转入这3个多年生型基因，便可实现十字花科植物在多年生与一年生间互相转换。

　　探索植物“多年生”

　　是未来重要方向

　　说到这里，需要考虑一个比较现实的问题了：植物生命周期的改变究竟有何意义？

　　中国科学家发现控制植物生命周期的3个基因的文章才刚发布，距离应用还早得很，但在现实中，从一年生到多年生的转变已经有了真实的中国案例。2022年，我国科学家在《自然-可持续性》期刊上公布了一项重大成果：成功培育出多年生水稻。

　　水稻相信大家都很熟悉，古人驯化了水稻，后来以袁隆平为代表的科学家又通过遗传操作改良实现了杂交水稻的高产，时至今日，水稻已稳居我国粮食“头把交椅”，并占据世界谷物总量的30%左右。为了种植水稻，农民需要买种、育秧、犁田和移栽，然后等着成长收割。新一轮的水稻又要重复这个过程，若是种植多季稻，更是一年到头忙个不停。

　　但是，我国培育的多年生水稻就大不一样了，只需播种一次，收割一轮后，水稻会通过地下茎来繁殖，开始新一轮的生长周期。目前，这种水稻已经可以实现一次播种连续种植4年，每年可收获两季。可以想象，如果这种技术广泛应用于农业，玉米、小麦、蔬菜都能够像水果那样只种一次就能多次收割，将为农民提供极大的益处。

　　不仅如此，这种多年生的特性还能在一定程度上应对气候异常。自古以来，我国农业就与气象关系紧密，还用农历和节气来指导农业生产。但是，每一年的气象都有差异，于是农民的耕种往往依据经验来进行，难免会因为农时判断误差而影响了作物的种植乃至后续的生长发育。多年生植物一次种植后可横跨多个生长季，就可以降低对农时的误判风险。

　　而且，多年生植物通常具有较为发达的根系，能够更好地利用水肥，这样一来，既减少了水土流失，又可以固碳，从而推动我国的生态建设，以及碳达峰碳中和战略，是推动农业可持续发展和应对未来气候变化的重要战略储备。

　　当然，植物从一年生转变为多年生无法一蹴而就，还有很多问题需要解决。

　　首先，从实验室到田间还有很长的路要走。比如，3个控制生命周期的基因是否适用于所有植物？其他植物是否也有独特的生命周期控制机制？即便研究人员已确认农作物油菜生命周期可以转变，那多年生的油菜在处于复杂多变的田间环境中能成功维持多年生这个特性吗？

　　其次，多年生植物需要考虑产量问题。一年生植物在一个生长季内完成，因此可以将大部分能量留给种子，但多年生植物在开花结实的时候，部分能量给了种子，部分能量用以维持自身生存，这会不会使多年生作物的产量低于传统作物？以多年生水稻为例，目前亩产为1000斤左右，但一年生水稻在双季稻种模式下的亩产可高达3000斤。在这种情况下，如果耕地面积有限，多年生水稻似乎不占优势。不过，影响植物产量的因素有很多，生命周期只是其中一个。那么，能否在多年生的基础上进一步通过基因技术改进实现更高的产量？类似这些有潜力应用于实际生产的科学问题，将是科研人员接下来的工作重心。

　　无论如何，中国科学家找到植物生命周期的“控制开关”具有里程碑意义，利用现有理论基础创制可应用的十字花科多年生作物，已经踏上了科学探索的道路。

　　（作者为中国科学院西南生物多样性中心生物学博士）