上海科学家成功调控十字花科植物“寿命”,多年生与一年生自由转换

2024-05-30 09:26:31 点将科技 27

      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。而多次开花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,多年生高等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。

    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。

成功调控十字花科植物“寿命”

研究员正在观察拟南芥实验情况

      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和糖芥属中分别选取了一对可杂交的一年生/多年生植物组合。研究结果显示,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。

      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。

成功调控十字花科植物“寿命”

      一年生植物(annual)在开花后全株枯萎死亡,没有分生组织(meristem)保留;多次开花多年生植物(polycarpic perennial)在开花后可以回复营养生长,以此保留部分分生组织,支撑多年生长。研究发现,同时敲除3个FLC类MADS-box基因可以导致十字花科多年生植物向一年生的转换,而在一年生植物中表达一个多年生类型的FLC基因就可以让一年生植物变为多年生。

(总台记者 窦筠韵)


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