大白菜實現(xiàn)“擇偶”自由！《自然》在線發(fā)表山東農(nóng)業(yè)大學(xué)段巧紅教授領(lǐng)銜的研究成果

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)段巧紅團隊在《自然》(Nature)發(fā)表重要研究成果

　　遠緣雜交育種是種質(zhì)創(chuàng)新的重要途徑，但生殖隔離是遠緣雜交育種的“卡脖子”難題，很大程度上限制了遠緣物種中優(yōu)異基因資源的開發(fā)利用。

　　北京時間2023年1月26日，國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)在線發(fā)表了山東農(nóng)業(yè)大學(xué)段巧紅教授領(lǐng)銜的蔬菜生殖機理與育種應(yīng)用團隊的研究成果。

Nature 期刊發(fā)表的文章首頁

團隊探討遠緣雜交育種的意義和難點

　　該研究揭示了大白菜等十字花科蔬菜通過調(diào)控柱頭活性氧水平以維持種間生殖隔離的分子機理，并研發(fā)了打破遠緣雜交生殖隔離的育種技術(shù)，成功獲得了大白菜的種間、屬間遠緣雜交胚，開辟了遠緣雜交育種的新思路和新途徑。

遠緣雜交生殖隔離的表型

　　►育種“卡脖子”難題懸而未決，突破理論認知局限是關(guān)鍵

　　大白菜是我國北方冬貯數(shù)量最大的蔬菜，全年播種面積約2700萬畝，約占全國蔬菜總播種面積的14.4%。自交不親和育種以及遠緣雜交育種是大白菜等十字花科蔬菜非常重要的育種技術(shù)。

　　傳統(tǒng)遠緣雜交育種主要通過廣泛測交來選擇雜交親本，但這種方式費工、費力并且雜交效率極低甚至為零。由于生殖隔離阻止遠緣受精，很多時候無法獲得遠緣雜交胚，后續(xù)再多的胚胎挽救工作也無濟于事。因而要解決自交不親和育種及遠緣雜交育種領(lǐng)域的“卡脖子”難題，充分利用遠緣物種的優(yōu)質(zhì)基因資源，前提是對其調(diào)控機制的系統(tǒng)解析。

　　大白菜等十字花科植物大多具有自交不親和性，是典型的異花授粉作物，育種上通常用蜜蜂授粉生產(chǎn)F1代雜交種，而在自然界中蜜蜂可能攜帶同種自花花粉、同種異花花粉、遠緣花粉等。

蜜蜂傳粉

　　論文通訊作者段巧紅教授介紹了十字花科植物“擇偶”的復(fù)雜情況：雌蕊的柱頭是阻止花粉進入的第一道屏障，一方面，柱頭抑制自花花粉、促進異花花粉生長以利用雜種優(yōu)勢；另一方面，柱頭抑制遠緣花粉以保持物種遺傳穩(wěn)定性。“遠緣雜交單向不親和”這種常見現(xiàn)象也令人不解，為什么自交不親和植物的雌蕊抑制自交親和植物的花粉，而反過來卻是親和的?柱頭如何通過自交不親和抑制同種自花花粉?自交不親和植物的柱頭如何抑制遠緣花粉?自交親和植物的柱頭允許遠緣花粉生長，那如何避免與其他物種混雜?柱頭上是否存在某種“同種花粉優(yōu)先”的機制?這些領(lǐng)域仍存在長期懸而未決的難題。

　　►打破遠緣雜交育種障礙，獲得屬間雜交胚

　　如何突破上述困境?

　　該團隊前期發(fā)現(xiàn)，大白菜種內(nèi)自花花粉激活柱頭產(chǎn)生活性氧來抑制自花花粉。團隊進而以遠緣雜交生殖隔離與自交不親和都表現(xiàn)為柱頭對花粉的抑制、以及遠緣雜交單向不親和，這兩個現(xiàn)象為出發(fā)點開展了本項研究。

　　大白菜自交不親和反應(yīng)是柱頭通過SRK受體識別進而抑制自花花粉的。團隊發(fā)現(xiàn)，甘藍、歐洲山芥等遠緣花粉也能通過柱頭SRK受體，激活下游FERONIA受體激酶信號通路，升高柱頭活性氧而抑制遠緣花粉。自交親和植物的柱頭缺乏有功能的SRK受體，遠緣花粉可以穿過柱頭，但表現(xiàn)出“同種花粉優(yōu)先”的現(xiàn)象，這主要是由于種內(nèi)花粉比遠緣花粉更快更有效地降低柱頭活性氧對花粉的抑制作用，在與其他物種花粉的競爭中“勝出”，從而維持了生殖隔離。

　　《自然》雜志審稿人認為，該論文闡述了該領(lǐng)域內(nèi)原創(chuàng)性的研究成果，是系統(tǒng)認知十字花科植物受精機制的重要進展，會促進相關(guān)領(lǐng)域的大量討論和進一步研究。

模式圖及通過遠緣育種技術(shù)獲得的屬間雜交胚

　　“令人振奮的是，通過我們研發(fā)的清除柱頭活性氧以打破十字花科蔬菜遠緣雜交障礙的育種技術(shù)，成功獲得了大白菜的種間、屬間雜交胚，為后續(xù)創(chuàng)制突破性新種質(zhì)奠定了堅實基礎(chǔ)。”博士生楊琳欣喜地告訴記者，目前該項育種技術(shù)正應(yīng)用于十字花科蔬菜育種。

　　►充分利用遠緣物種優(yōu)異種質(zhì)資源，開啟遠緣雜交育種新篇章

　　種業(yè)正邁入現(xiàn)代化育種的新階段，充分發(fā)掘利用優(yōu)異種質(zhì)與基因資源是種業(yè)創(chuàng)新的關(guān)鍵。雖然很多作物及其近緣野生種的基因組圖譜被陸續(xù)公布，但作物與其近緣野生種的基因流動受到生殖隔離的限制，如何有效利用遠緣物種中的優(yōu)異基因資源還是一個難題。

　　自交不親和育種及遠緣雜交育種是十字花科蔬菜作物非常重要的育種技術(shù)。“由于我們過去對其調(diào)控機制認知不足，無法在育種技術(shù)上取得突破，在很大程度上限制了雜交親本的選配，導(dǎo)致很多有意義的育種項目被迫停滯。”段巧紅解釋到。

　　該研究成果深入系統(tǒng)地解析了十字花科蔬菜作物自交不親和及遠緣雜交不親和調(diào)控機理，為實現(xiàn)十字花科蔬菜作物雜交育種、遠緣雜交育種、及種質(zhì)資源創(chuàng)新等重要的育種工作，提供了理論支撐。所提供的切實可行的育種新技術(shù)，包括打破自交不親和的育種技術(shù)及打破遠緣雜交生殖隔離的育種技術(shù)，是十字花科蔬菜育種的共性關(guān)鍵核心技術(shù)，極大地提高了親本繁種效率，促進了蔬菜種質(zhì)資源開發(fā)利用，開啟了遠緣雜交育種的新篇章。

　　專家點評

　　中國工程院院士、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)校長鄒學(xué)校教授評價說，該研究系統(tǒng)解析了遠緣雜交生殖隔離的形成機理，開發(fā)了打破生殖隔離的遠緣育種技術(shù)，兼具理論創(chuàng)新性與育種應(yīng)用價值，是植物生殖生物學(xué)與雜交育種領(lǐng)域的標志性成果，相關(guān)理論和技術(shù)將對蔬菜育種工作產(chǎn)生深遠影響。

　　中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長黃三文研究員評價說，段巧紅教授開展的遠緣雜交生殖隔離的形成機理及打破生殖隔離的育種技術(shù)研究對于種業(yè)創(chuàng)新具有重要意義。該研究突破了目前大白菜主要利用種內(nèi)雜交育種的傳統(tǒng)思路，通過新技術(shù)將遠緣物種的優(yōu)異基因資源導(dǎo)入栽培種，拓寬種質(zhì)遺傳范圍，將極大地促進十字花科遠緣物種中優(yōu)異基因資源的開發(fā)利用，為突破性種質(zhì)的創(chuàng)制和新品種培育奠定堅實的基礎(chǔ)。該項研究對于其他作物的野生資源利用也提供了新思路。

　　山東農(nóng)業(yè)大學(xué)為論文第一完成單位，段巧紅教授和美國馬薩諸塞大學(xué)的Alice Y. Cheung教授為共同通訊作者。黃家保副教授、博士生楊琳為共同第一作者。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)張憲省教授、王年教授，河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院張曉偉研究員、原玉香研究員、魏小春助理研究員，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)馬朝芝教授、王鵬蔚教授、戴成副教授，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)程斐副教授等參與該項研究。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)高層次人才啟動經(jīng)費、山東省自然科學(xué)基金重點項目和重大基礎(chǔ)項目的資助。

　　段巧紅教授簡介

　　段巧紅教授，北京大學(xué)博士，美國馬薩諸塞大學(xué)博士后，長期從事十字花科植物受精機理研究，2017年起任山東農(nóng)業(yè)大學(xué)教授以來，聚焦大白菜自交不親和及遠緣雜交生殖隔離的調(diào)控機制，成果發(fā)表在Nature、Current Biology等期刊，相關(guān)育種新技術(shù)授權(quán)2項國家發(fā)明專利，為蔬菜突破性種質(zhì)的創(chuàng)制和新品種培育奠定堅實的基礎(chǔ)。

　　山東農(nóng)業(yè)大學(xué)歡迎更多有志青年科學(xué)家加入蔬菜生殖機理與育種應(yīng)用團隊，共同從事蔬菜育種事業(yè)。