日前，一則中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)植物生命周期“控制開關(guān)”的消息受到矚目。國際學(xué)術(shù)期刊《細胞》（Cell）在線發(fā)表了一篇來自中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心的論文，該研究在十字花科植物中成功鑒定出3個決定植物多年生的關(guān)鍵基因，可能實現(xiàn)植物在多年生與一年生生活習(xí)性間互相轉(zhuǎn)換。

這一研究成果具有戰(zhàn)略意義，如果未來順利從實驗室走到田間，對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的助益不可估量。那么，植物的生長周期如何轉(zhuǎn)換？這種轉(zhuǎn)換能實現(xiàn)“今年種年年收”的豐收愿景嗎？在這種改變的背后，還有哪些問題需要關(guān)注呢？

植物分為“一年生”“多年生”

俗話說：“春種一粒粟，秋收萬顆子”。無論是小麥、水稻、玉米這類主糧，還是白菜、番茄、豆角等蔬菜，千百年來都是春天播種，然后等著成長收獲。但還有一些農(nóng)作物與此不同，其中最典型的就是韭菜，春天種下后，可以一茬又一茬地收獲，蘆筍、百合等蔬菜也是如此。

那么，為何有的農(nóng)作物是一年一種，有的播種一次就可以源源不斷地收獲呢？這其實涉及植物學(xué)上的兩個重要概念：一年生和多年生。

植物的完整生命周期從種子發(fā)芽開始，經(jīng)歷生長、開花、結(jié)果，最后死亡。但對于植物來說，這個生命周期可長可短。如果它的一生基本上在一年內(nèi)的一個生長季完成，就被稱作一年生植物，典型代表就是五谷（稻黍稷麥菽），所以兩千年前荀子就有一句著名的箴言：“春耕、夏耘、秋收、冬藏，四者不失時，故五谷不絕。”與之相對的是，如果一種植物能夠存活超過兩年，并且在多個生長季節(jié)內(nèi)持續(xù)生長和繁殖，就叫作多年生植物。多年生植物在每年結(jié)束時并不會死亡，而是進入了休眠狀態(tài)，等到來年新的生長季到來，它們無需耕種，就可直接發(fā)育。

另外，自然界還存在二年生植物，其特點介于一年生和多年生植物之間。它在種子萌發(fā)的當(dāng)年長出根莖葉，然后在寒冷季節(jié)進入冬眠。次年，它在前一年的發(fā)育基礎(chǔ)上壯大，然后開花、結(jié)果，完成整個生命周期。值得一提的是，二年生植物度過冬天和早春這個低溫階段對其發(fā)育十分關(guān)鍵，這種現(xiàn)象被稱作“春化現(xiàn)象”。這一類植物的代表便是鼎鼎大名的“冬小麥”。

總結(jié)來說，自然界的植物存在一年生、二年生、多年生的特性，有的植物還占據(jù)了兩種特性。其中，一年生植物在一年內(nèi)完成全部生長發(fā)育，生長周期較短、生長速度較快，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的大多數(shù)農(nóng)作物都是一年生植物，如土豆、南瓜、西紅柿等。二年生植物以兩年時間完成全部生長發(fā)育，生長周期較長，豐產(chǎn)性優(yōu)于一年生植物，常見的有芹菜、甘藍等。多年生植物每一年都會生長，如桃樹、梨樹、桑樹等，其所含養(yǎng)分較多，有助于土壤肥力的積累，能起到改良土壤的作用。

研究生命周期首選十字花科

如上所述，既然小麥的生命周期并不只有一年生這一種，想必類似情況在資源豐富的自然界中還存在，那不妨做一個大膽的假設(shè)：植物的生命周期能不能改變，以實現(xiàn)“今年種年年收”的豐收愿景呢？

驗證這一假設(shè)，先要搞清楚一個重要的科學(xué)問題：到底是什么在決定植物的生命周期？

研究一年生、多年生的秘密，理論上倒是不難。先找到一對可雜交的一年生與多年生植物組合直接雜交，再對其后代進行性狀關(guān)聯(lián)分析（根據(jù)遺傳學(xué)常識推測，這樣雜交的子代會出現(xiàn)一年生，也會出現(xiàn)多年生），就能夠找到?jīng)Q定植物多年生的基因。

但問題是，在進入實踐操作前，需找到合適的實驗植物材料。

別看自然界中植物多達37萬種，但想找到符合雜交條件的一年生和多年生植物很難。而且，雖然植物雜交在某種程度上比動物雜交要自由，但如果分類上離得太遠的話，也沒辦法進行雜交。

一年生與多年生植物，在分類上往往同屬不同種，存在生殖隔離，能產(chǎn)生正?？捎蟠母怕蕵O低。好比把一年生的水稻和多年生的韭菜放在一起，它們依然是各自繁殖而不會雜交，這就是很典型的生殖隔離。所以，要想雜交，得盡可能地在一個分類關(guān)系相對較近的范圍內(nèi)進行，才有可能降低生殖隔離的風(fēng)險，從而提高雜交的可行性。

于是，中國科學(xué)家開始尋找這種植物，經(jīng)過一系列探索，最終鎖定了十字花科植物（因擁有十字形的花冠而得名）。

為什么會選擇十字花科植物？首先，十字花科植物涵蓋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雜交，因此研究起來比較好操作。其次，十字花科植物包含了經(jīng)典的“模式生物”（被選定進行科學(xué)研究的生物物種）擬南芥，這是堪比實驗小白鼠的存在，絕大多數(shù)經(jīng)典植物實驗都是以擬南芥作為實驗對象的，可以積累非常豐富的科研經(jīng)驗和數(shù)據(jù)。此外，十字花科擁有3000多種植物，研究選擇范圍廣，其中還包括十分常見的農(nóng)作物，如白菜、蘿卜、油菜、花椰菜等。

3個關(guān)鍵基因揭秘生長“開關(guān)”

盡管研究人員選定了十字花科，但想進行具體研究還得縮小范圍，這個過程是很漫長的。

首先是對十字花科植物進行生活習(xí)性的考察。中科院的研究人員收集了須彌芥屬、糖芥屬、碎米薺屬、南芥屬等數(shù)百份植物材料，進行詳細的分析和記錄，然后對這些植物的基因組進行評估。

為什么要評估植物基因組呢？這不得不提到一個現(xiàn)實的問題——基因組和工作量。由于植物的性狀受到基因控制，所以尋找生命周期“控制開關(guān)”的本質(zhì)是尋找具體的基因。而基因組是指一個生物體所有遺傳物質(zhì)的總和，基因組越龐大，意味著要篩選的基因規(guī)模越大、難度越高。植物基因組的特殊之處就是基因組往往很龐大，人類是二倍體，植物卻經(jīng)常出現(xiàn)多倍體，更別提各種重復(fù)序列和非編碼區(qū)域，甚至一個屬內(nèi)的植物都會出現(xiàn)基因組差異懸殊的情況，因此，研究人員必須對其進行細致篩選，以及結(jié)合形態(tài)特征和分子標(biāo)記等來評估親緣關(guān)系，以便更好地進行雜交選擇。

最終，研究人員選定了兩個組合，分別是須彌芥屬的喜馬拉雅須彌芥和卵葉須彌芥；糖芥屬的內(nèi)華達糖芥和小花糖芥。這樣的組合很精妙，一方面，每個組合都在一個屬內(nèi)，親緣關(guān)系很近，生殖隔離容易被突破；另一方面，每個組合內(nèi)既有多年生又有一年生，具有了不同的生命周期。

萬事俱備，接下來就是長達10年的實驗。研究植物生命周期本就漫長，畢竟“多年生”真的代表著多個年份，相當(dāng)長的時間。研究團隊從2014年開始，到2017年才獲得了第一對一年生/多年生雜交組合，翌年又獲得第二對雜交組合，直到2022年才完成了全部的突變體材料準(zhǔn)備。

下一步，就到了“定位具體負(fù)責(zé)生命周期的基因”的階段了。研究人員結(jié)合全基因組信息、雜交作物的春化要求、開花習(xí)性等多種信息進行交互對應(yīng)分析，最終實現(xiàn)了基因定位，一共找到3個與植物生命周期相關(guān)的基因，分別是FLC、FLM 和MAF，它們也是與植物開花相關(guān)的基因。

為了驗證這3個基因是否真能決定植物的生命周期，研究人員還利用基因編輯技術(shù)對這些基因一一進行了敲除研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些基因的缺失會導(dǎo)致植物從多年生變?yōu)槎晟⒆罱K成為一年生。反過來，如果把這些基因轉(zhuǎn)到一年生植物中，那么植物就會從一年生變?yōu)槎嗄晟?。值得一提的是，研究人員還選擇了一種重要的十字花科植物——油菜進行了嘗試，成功讓油菜從一年生變?yōu)榱硕嗄晟?/p>

至此，研究人員終于揭示了植物生命周期的秘密，有多個基因共同發(fā)揮作用來控制植物的開花行為，而溫度是影響這些基因開關(guān)的重要環(huán)境因素。今年5月28日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王佳偉研究團隊在國際學(xué)術(shù)期刊《細胞》上發(fā)表了題為“十字花科一年生和多果多年生開花行為之間的相互轉(zhuǎn)換”的研究論文，宣布在十字花科植物中找到3個決定植物多年生的關(guān)鍵基因，只要在多年生植物中敲除這3個基因，或者在一年生植物中轉(zhuǎn)入這3個多年生型基因，便可實現(xiàn)十字花科植物在多年生與一年生間互相轉(zhuǎn)換。

探索植物“多年生”

是未來重要方向

說到這里，需要考慮一個比較現(xiàn)實的問題了：植物生命周期的改變究竟有何意義？

中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)控制植物生命周期的3個基因的文章才剛發(fā)布，距離應(yīng)用還早得很，但在現(xiàn)實中，從一年生到多年生的轉(zhuǎn)變已經(jīng)有了真實的中國案例。2022年，我國科學(xué)家在《自然-可持續(xù)性》期刊上公布了一項重大成果：成功培育出多年生水稻。

水稻相信大家都很熟悉，古人馴化了水稻，后來以袁隆平為代表的科學(xué)家又通過遺傳操作改良實現(xiàn)了雜交水稻的高產(chǎn)，時至今日，水稻已穩(wěn)居我國糧食“頭把交椅”，并占據(jù)世界谷物總量的30%左右。為了種植水稻，農(nóng)民需要買種、育秧、犁田和移栽，然后等著成長收割。新一輪的水稻又要重復(fù)這個過程，若是種植多季稻，更是一年到頭忙個不停。

但是，我國培育的多年生水稻就大不一樣了，只需播種一次，收割一輪后，水稻會通過地下莖來繁殖，開始新一輪的生長周期。目前，這種水稻已經(jīng)可以實現(xiàn)一次播種連續(xù)種植4年，每年可收獲兩季?？梢韵胂螅绻@種技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，玉米、小麥、蔬菜都能夠像水果那樣只種一次就能多次收割，將為農(nóng)民提供極大的益處。

不僅如此，這種多年生的特性還能在一定程度上應(yīng)對氣候異常。自古以來，我國農(nóng)業(yè)就與氣象關(guān)系緊密，還用農(nóng)歷和節(jié)氣來指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。但是，每一年的氣象都有差異，于是農(nóng)民的耕種往往依據(jù)經(jīng)驗來進行，難免會因為農(nóng)時判斷誤差而影響了作物的種植乃至后續(xù)的生長發(fā)育。多年生植物一次種植后可橫跨多個生長季，就可以降低對農(nóng)時的誤判風(fēng)險。

而且，多年生植物通常具有較為發(fā)達的根系，能夠更好地利用水肥，這樣一來，既減少了水土流失，又可以固碳，從而推動我國的生態(tài)建設(shè)，以及碳達峰碳中和戰(zhàn)略，是推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和應(yīng)對未來氣候變化的重要戰(zhàn)略儲備。

當(dāng)然，植物從一年生轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄晟鸁o法一蹴而就，還有很多問題需要解決。

首先，從實驗室到田間還有很長的路要走。比如，3個控制生命周期的基因是否適用于所有植物？其他植物是否也有獨特的生命周期控制機制？即便研究人員已確認(rèn)農(nóng)作物油菜生命周期可以轉(zhuǎn)變，那多年生的油菜在處于復(fù)雜多變的田間環(huán)境中能成功維持多年生這個特性嗎？

其次，多年生植物需要考慮產(chǎn)量問題。一年生植物在一個生長季內(nèi)完成，因此可以將大部分能量留給種子，但多年生植物在開花結(jié)實的時候，部分能量給了種子，部分能量用以維持自身生存，這會不會使多年生作物的產(chǎn)量低于傳統(tǒng)作物？以多年生水稻為例，目前畝產(chǎn)為1000斤左右，但一年生水稻在雙季稻種模式下的畝產(chǎn)可高達3000斤。在這種情況下，如果耕地面積有限，多年生水稻似乎不占優(yōu)勢。不過，影響植物產(chǎn)量的因素有很多，生命周期只是其中一個。那么，能否在多年生的基礎(chǔ)上進一步通過基因技術(shù)改進實現(xiàn)更高的產(chǎn)量？類似這些有潛力應(yīng)用于實際生產(chǎn)的科學(xué)問題，將是科研人員接下來的工作重心。

無論如何，中國科學(xué)家找到植物生命周期的“控制開關(guān)”具有里程碑意義，利用現(xiàn)有理論基礎(chǔ)創(chuàng)制可應(yīng)用的十字花科多年生作物，已經(jīng)踏上了科學(xué)探索的道路。

（作者為中國科學(xué)院西南生物多樣性中心生物學(xué)博士）