■本報(bào)記者 李晨 通訊員 王靜

超過60%的被子植物自交不親和，即近親不能“婚配”。雌蕊能夠分辨出一顆落在柱頭上的花粉是不是“自家人”，那么隨后，雌蕊啟動(dòng)了怎樣的響應(yīng)機(jī)制阻止自家花粉受精呢？

5月19日，《當(dāng)代生物學(xué)》在線發(fā)表了山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院教授段巧紅團(tuán)隊(duì)的最新成果，他們以十字花科大白菜為研究對(duì)象，從自花花粉與異花花粉引起柱頭不同的生理變化入手，發(fā)現(xiàn)自花授粉特異性升高柱頭活性氧，而異花授粉導(dǎo)致柱頭活性氧降低，且證實(shí)了活性氧是維持大白菜自交不親和的必需因素，解析了植物抑制自花花粉以防止“近親婚配”的分子機(jī)制。

活性氧是抑制因子

之前研究發(fā)現(xiàn)，自花花粉的識(shí)別依賴于花粉中SP11/SCR配體與柱頭乳突細(xì)胞細(xì)胞膜上的SRK受體特異性結(jié)合，從而引發(fā)乳突細(xì)胞內(nèi)部發(fā)生一系列反應(yīng)，并最終阻止自花花粉的水合、萌發(fā)與生長。

“十字花科柱頭是干柱頭，花粉的萌發(fā)依賴于柱頭乳突細(xì)胞運(yùn)送的水分和營養(yǎng)分子，而柱頭識(shí)別出自花花粉后，會(huì)阻止這些親和因子的運(yùn)送，因此不能支持自花花粉的萌發(fā)和生長。”論文通訊作者段巧紅告訴《中國科學(xué)報(bào)》，十字花科是否存在柱頭對(duì)自花花粉的抑制因子及其分子機(jī)制，此前還不清楚。

經(jīng)研究，“我們發(fā)現(xiàn)柱頭活性氧就是花粉的抑制因子。柱頭活性氧在自花授粉后特異性迅速升高，抑制了花粉在柱頭的萌發(fā)?！倍吻杉t說。

為什么柱頭活性氧在自花授粉后特異性升高？

段巧紅說，從分子和遺傳水平上解析活性氧調(diào)控大白菜自交不親和的分子機(jī)制實(shí)屬不易。因?yàn)榇蟀撞藢儆贏A基因組，遺傳轉(zhuǎn)化非常困難。

研究團(tuán)隊(duì)首次利用反義寡核苷酸處理大白菜柱頭，特異性抑制相關(guān)基因的表達(dá)，從而使大白菜喪失自交不親和性，自花花粉得以生長。

利用上述巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，柱頭活性氧是由NADPH氧化酶這個(gè)基因家族的活性氧合成酶（呼吸爆發(fā)氧化酶Rbohs）合成的，且活性氧在自花授粉后1分鐘內(nèi)就顯著升高，說明其活性氧合成酶的酶活性被自花花粉迅速激活。

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)而發(fā)現(xiàn)，活性氧合成酶受到上游調(diào)控因子Rac/ROP小G蛋白及細(xì)胞表面受體激酶FERONIA的調(diào)控。抑制該信號(hào)通路則阻止自花授粉引起的柱頭活性氧升高，使柱頭不再抑制自花花粉的萌發(fā)和生長。

段巧紅說，這表明FERONIA-Rac/ROP-Rboh這個(gè)信號(hào)通路模塊在調(diào)控大白菜自交不親和過程中發(fā)揮著不可或缺的作用。

北京師范大學(xué)教授任海云告訴《中國科學(xué)報(bào)》，很多被子植物柱頭積累高濃度的活性氧，但是關(guān)于活性氧是否調(diào)控十字花科植物的自交不親和，至今還沒有確切的結(jié)論。段巧紅團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)成果，明確揭示了柱頭活性氧對(duì)十字花科植物大白菜自交不親和的正調(diào)控作用，及自花花粉通過FERONIA這個(gè)受體激酶信號(hào)通路，激活柱頭乳突細(xì)胞產(chǎn)生活性氧，從而抑制自花花粉的萌發(fā)與生長。

“這是一個(gè)非常有趣和重要的發(fā)現(xiàn)，為花粉與柱頭相互作用這一研究領(lǐng)域開辟了一個(gè)新的方向?！比魏Ｔ普f，期待下一步的研究能夠回答自花花粉如何激活FERONIA信號(hào)通路，以及花粉與柱頭互作的諸多未知問題。

自交不親和調(diào)控有利育種

“近親婚配”引起隱性有害基因的純合，導(dǎo)致后代生活力衰退。段巧紅介紹，高等植物在長期進(jìn)化中，形成了“自交不親和”這種有利于異花授粉，從而保持種群內(nèi)個(gè)體高度雜合性的生殖機(jī)制。

段巧紅說，雌雄兩性機(jī)能正常，但同株花粉或姊妹株花粉的生長會(huì)特異性受到雌蕊的抑制，防止其趁“近水樓臺(tái)”之便先完成受精，這就為通過風(fēng)或昆蟲等媒介所授的異花花粉創(chuàng)造了受精機(jī)會(huì)。

自交不親和這種有趣且非常有用的現(xiàn)象，在超過60%的被子植物中都存在，涉及320多個(gè)科、3000多種植物，其中以十字花科植物最為普遍。

段巧紅介紹，在植物，特別是在十字花科蔬菜作物育種中，可利用這種特性選育遺傳上穩(wěn)定的自交不親和系，從而不用去雄就能生產(chǎn)雜交種子，以利用雜種優(yōu)勢。

國家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系大白菜遺傳改良崗位科學(xué)家張鳳蘭在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說，我國從上世紀(jì)70年代中期開始大白菜雜種優(yōu)勢的利用研究，選育自交不親和系生產(chǎn)大白菜雜交種，育成了上千個(gè)品種并在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

為了維持大白菜的親本，必須克服其自交不親和性，才能自交繁種，一般采用人工剝蕾自交授粉或者噴施食鹽水克服自交不親和這兩種方法，但是，前者費(fèi)時(shí)費(fèi)力、人工成本高，后者存在個(gè)別不親和系結(jié)籽少和繁種地塊土壤鹽漬化的問題。

另外，自交不親和性特別強(qiáng)的品種作為親本有利于防止假雜種的產(chǎn)生，提高生產(chǎn)雜交種的純度；但同時(shí)強(qiáng)自交不親和系親本繁殖困難，限制其作為雜交親本應(yīng)用，導(dǎo)致自交不親和性比較強(qiáng)的優(yōu)異種質(zhì)資源不能得到有效利用。

“因此，尋找克服大白菜自交不親和的有效方法在十字花科蔬菜作物育種中至關(guān)重要?！睆堷P蘭說，段巧紅團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究成果及相關(guān)自交不親和系繁殖技術(shù)，有望顯著提高自交不親和系親本的擴(kuò)繁效率，對(duì)十字花科蔬菜作物雜交育種及種質(zhì)資源創(chuàng)新具有重要意義。

開發(fā)新的繁種技術(shù)

段巧紅團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，甘藍(lán)、蘿卜與大白菜一樣，自交也導(dǎo)致柱頭活性氧的升高，降低柱頭活性氧則喪失自交不親和能力。這表明通過活性氧抑制自花花粉這種自交不親和調(diào)控機(jī)制，在包括大白菜、甘藍(lán)、蘿卜等蔬菜作物與油菜等油料作物的十字花科植物中是非常保守的。

“我們檢測了結(jié)球大白菜、不結(jié)球白菜、羽衣甘藍(lán)、蘿卜等，都是自花授粉后柱頭活性氧升高。用活性氧合成酶抑制劑DPI抑制柱頭活性氧的產(chǎn)生，柱頭則喪失自交不親和，不能再阻止自花花粉萌發(fā)。這說明自花花粉引起柱頭活性氧升高，并最終抑制自花花粉萌發(fā)這一機(jī)制，在十字花科植物中比較普遍?！倍吻杉t說，以大白菜為對(duì)象研究十字花科蔬菜作物的自交不親和調(diào)控機(jī)理，不僅是一個(gè)重要的科學(xué)問題，也具有育種上的實(shí)踐意義。

段巧紅團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出新的繁種技術(shù)，即通過噴施活性氧清除劑，降低柱頭活性氧含量，打破自交不親和，促進(jìn)自交結(jié)籽。目前已經(jīng)獲得兩項(xiàng)國家發(fā)明專利，正在進(jìn)行大田實(shí)驗(yàn)以應(yīng)用到育種實(shí)踐中。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.04.060