山东农业大学科研团队再破“生殖隔离”难题 让远缘育种驶入“快车道”

齐鲁网·闪电新闻11月21日讯 11月21日，山东农业大学段巧红教授团队在《科学》（Science）在线发表重大成果成功鉴定出触发十字花科植物远缘生殖隔离的关键花粉信号分子SIPS，解析了远缘花粉与雌蕊柱头的识别机制，并基于此开发出高效的远缘育种技术体系。

这不仅是该团队继2021年在《当代生物学》（Current Biology）、2023年在《自然》（Nature）发表相关成果后，在生殖隔离与育种应用领域的又一突破性进展，也为中国科协提出的“2025十大前沿科学问题”之一——“如何利用作物野生近缘种提升栽培种抗逆特性”提供了切实可行的解决路径。

直面育种困境 探寻突破之路

作物驯化是一把“双刃剑”：在选择优良农艺性状的同时，也导致了遗传多样性的降低，尤其是抗病虫、抗逆等抗性基因的丢失。远缘杂交，即让栽培种与野生近缘种“通婚”，是引入这些优异基因、提升栽培种抗逆特性的有效手段。然而，植物进化历程中形成的种间生殖隔离机制，如同一道天堑，严重阻碍了不同物种间的基因交流，让远缘育种工作事倍功半。

论文通讯作者段巧红教授介绍，核心困境在于对生殖隔离调控机制的认知不足：“对于大白菜等十字花科植物而言，雌蕊柱头上识别远缘花粉的受体是什么，花粉上携带的远缘信号分子是什么，远缘花粉是如何被柱头抑制的，这些都知之甚少。”

段巧红教授团队围绕这三个问题，对花粉—柱头的识别机制进行了深入研究。为了促进异交、利用杂种优势，被子植物进化出自交不亲和机制，特异性识别并抑制自花花粉的生长。但依靠蜜蜂等昆虫传粉的方式，也让自交不亲和植物的雌蕊更容易受到其他花粉的“干扰”。研究表明，其雌蕊柱头上高达70%的花粉来自远缘物种。为此，植物进化出种间生殖隔离机制，广泛识别并抑制远缘花粉的生长以维持物种稳定性。

2023年，段巧红团队在《自然》杂志上发表了该领域的关键突破成果，发现白菜等十字花科植物中，雌蕊柱头上识别自花花粉的SRK受体也用于识别远缘花粉，启动柱头的防御机制，即升高柱头活性氧，抑制远缘花粉的生长。但触发警报的“远缘花粉信号”究竟是什么，仍是未解之谜。

揭示“通用信号” 破解植物生殖隔离机制

论文第一作者曹芸运副教授介绍，基于此问题，团队以白菜柱头SRK受体为“诱饵”，同时采用酵母双杂交及免疫共沉淀技术，在花粉总蛋白中锁定了一个关键目标：一个花粉特异表达、与SRK互作的小分子蛋白，并将其命名为SIPS（SRK-interacting Interspecific Pollen Signal）。敲除实验证实了SIPS的核心作用：缺失SIPS的拟南芥花粉，竟能“蒙混过关”，成功逃避白菜柱头的防御系统，完成水合、萌发，乃至受精。

更引人注目的是其“通用性”。系统进化分析显示，SIPS在十字花科植物中普遍存在，不同物种的SIPS信号与SRK受体均能跨物种互作，升高柱头活性氧，抑制远缘花粉生长。这表明SIPS是一个通用的“警报信号”，保障十字花科内不同物种的远缘花粉都能被柱头广泛识别并被抑制，从而迅速解除其花粉对雌蕊的威胁。在番茄等十字花科之外的物种中没找到SIPS同源基因，其花粉也无法激发白菜柱头的防御反应；然而通过遗传手段将SIPS导入番茄花粉后，原本“沉默”的番茄花粉竟成功触发了白菜柱头的活性氧爆发。这些实验证据表明，SIPS是触发十字花科植物柱头防御反应的充分必要的“警报信号”。

十字花科植物如何区分“自己人”和“外来者”？段巧红教授用了一个形象的比喻：“十字花科植物为了维护物种完整性，在入口处安装了一套“安检系统”，也就是柱头SRK受体，用于对试图进入的花粉进行身份甄别。种内自花花粉，因其携带的特异性信号SCR而被列入‘黑名单’，即被柱头SRK安检系统特异性识别并启动柱头防御系统从而抑制其生长，有效防止了近交衰退。远缘花粉，不论其来自十字花科内的哪个物种，因其都携带一种通用的‘外来者’标识SIPS而一律被拦截，也就是都可以与SRK受体结合并启动柱头的防御系统，使其无法突破柱头屏障。只有种内异花花粉，可以顺利通过柱头安检并完成受精，得到种内杂交后代。”

期刊审稿人一致认为，该研究的工作体量、深度及所评估物种的广泛性，都是非常令人信服的。这一发现揭示了自交不亲和与远缘杂交生殖隔离机制共享同一受体但使用不同信号分子的分子机制，解开了白菜等十字花科植物生殖进化的一个关键谜题。这一开创性发现，将使该领域以全新视角重新审视这两种生殖隔离机制。

建立高效技术体系 让远缘育种驶入“快车道”

科研工作贵在“顶天立地”，既要瞄准科技前沿的重大科学问题，更要以国家需求为导向，研发关键技术，应用到育种生产中。

十字花科蔬菜的栽培面积占我国蔬菜总面积的25%以上。尽管该科内亲缘关系较近的物种间远缘杂交已取得一定成功，例如芸薹属内白菜与甘蓝的杂交培育出甘蓝型油菜这一新物种，但在亲缘关系更远的属间杂交仍面临严峻挑战。以山芥属欧洲山芥为例，作为高抗小菜蛾等害虫的十字花科植物，它被认为是提高白菜抗虫性的最佳外源优异基因供体之一。然而，由于其与白菜的亲缘关系较远，多年来的远缘杂交尝试尚未成功。

基于该研究揭示的SIPS-SRK互作调控十字花科植物种间生殖隔离的分子机制，段巧红教授团队从信号（SIPS）和受体（SRK）两方面着手打破生殖隔离。尽管突变SIPS在理论和技术上可以有效打破生殖隔离，但是转基因或基因编辑目前仍面临应用限制。而传统远缘杂交育种通常需要大规模测交来选择更适合杂交的母本，但该方法费时费力且效率低下。

令人欣喜的是，目前该团队已开发出更高效的远缘杂交技术体系，用一套“组合拳”在白菜与欧洲山芥的远缘杂交中取得重要进展。科研人员首先优选自交不亲和性弱的株系作为母本，进而结合反义寡核苷酸抑制柱头SRK表达或使用活性氧清除剂，都能有效降低柱头防御，让远缘花粉顺利通过完成受精，使得杂交胚获得率由原来的每角果1个提升至3—6个。随后可通过大规模远缘杂交得到大量杂交胚，用于胚挽救、染色体加倍等后续操作，最终有望获得含有欧洲山芥优异抗虫基因的白菜种质。该研究为十字花科作物利用近缘野生种进行种质创新和新品种培育提供了理论依据与技术支撑，让远缘杂交育种驶入“快车道”。

闪电新闻记者 冯诗惠 报道