大白菜實(shí)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(tuán)隊(duì)在《自然》(Nature)發(fā)表重要研究成果

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

　　北京時(shí)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(jī)理與育種應(yīng)用團(tuán)隊(duì)的研究成果。

Nature 期刊發(fā)表的文章首頁

團(tuán)隊(duì)探討遠(yuǎn)緣雜交育種的意義和難點(diǎn)

　　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(jī)理，并研發(fā)了打破遠(yuǎn)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(yuǎn)緣雜交胚，開辟了遠(yuǎn)緣雜交育種的新思路和新途徑。

遠(yuǎn)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(rèn)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(yuǎn)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(yuǎn)緣雜交育種主要通過廣泛測(cè)交來選擇雜交親本，但這種方式費(fèi)工、費(fèi)力并且雜交效率極低甚至為零。由于生殖隔離阻止遠(yuǎn)緣受精，很多時(shí)候無法獲得遠(yuǎn)緣雜交胚，后續(xù)再多的胚胎挽救工作也無濟(jì)于事。因而要解決自交不親和育種及遠(yuǎn)緣雜交育種領(lǐng)域的“卡脖子”難題，充分利用遠(yuǎn)緣物種的優(yōu)質(zhì)基因資源，前提是對(duì)其調(diào)控機(jī)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(yuǎn)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(jìn)入的第一道屏障，一方面，柱頭抑制自花花粉、促進(jìn)異花花粉生長(zhǎng)以利用雜種優(yōu)勢(shì)；另一方面，柱頭抑制遠(yuǎn)緣花粉以保持物種遺傳穩(wěn)定性。“遠(yuǎn)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(yuǎn)緣花粉?自交親和植物的柱頭允許遠(yuǎn)緣花粉生長(zhǎng)，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(jī)制?這些領(lǐng)域仍存在長(zhǎng)期懸而未決的難題。

　　►打破遠(yuǎn)緣雜交育種障礙，獲得屬間雜交胚

　　如何突破上述困境?

　　該團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)進(jìn)而以遠(yuǎn)緣雜交生殖隔離與自交不親和都表現(xiàn)為柱頭對(duì)花粉的抑制、以及遠(yuǎn)緣雜交單向不親和，這兩個(gè)現(xiàn)象為出發(fā)點(diǎn)開展了本項(xiàng)研究。

　　大白菜自交不親和反應(yīng)是柱頭通過SRK受體識(shí)別進(jìn)而抑制自花花粉的。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，甘藍(lán)、歐洲山芥等遠(yuǎn)緣花粉也能通過柱頭SRK受體，激活下游FERONIA受體激酶信號(hào)通路，升高柱頭活性氧而抑制遠(yuǎn)緣花粉。自交親和植物的柱頭缺乏有功能的SRK受體，遠(yuǎn)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(yuǎn)緣花粉更快更有效地降低柱頭活性氧對(duì)花粉的抑制作用，在與其他物種花粉的競(jìng)爭(zhēng)中“勝出”，從而維持了生殖隔離。

　　《自然》雜志審稿人認(rèn)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(rèn)知十字花科植物受精機(jī)制的重要進(jìn)展，會(huì)促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的大量討論和進(jìn)一步研究。

模式圖及通過遠(yuǎn)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(yuǎn)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。”博士生楊琳欣喜地告訴記者，目前該項(xiàng)育種技術(shù)正應(yīng)用于十字花科蔬菜育種。

　　►充分利用遠(yuǎn)緣物種優(yōu)異種質(zhì)資源，開啟遠(yuǎn)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(dòng)受到生殖隔離的限制，如何有效利用遠(yuǎn)緣物種中的優(yōu)異基因資源還是一個(gè)難題。

　　自交不親和育種及遠(yuǎn)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(duì)其調(diào)控機(jī)制認(rèn)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(xiàng)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(yuǎn)緣雜交不親和調(diào)控機(jī)理，為實(shí)現(xiàn)十字花科蔬菜作物雜交育種、遠(yuǎn)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(shí)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(yuǎn)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(jìn)了蔬菜種質(zhì)資源開發(fā)利用，開啟了遠(yuǎn)緣雜交育種的新篇章。

　　專家點(diǎn)評(píng)

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

　　中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長(zhǎng)黃三文研究員評(píng)價(jià)說，段巧紅教授開展的遠(yuǎn)緣雜交生殖隔離的形成機(jī)理及打破生殖隔離的育種技術(shù)研究對(duì)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(yuǎn)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(jìn)十字花科遠(yuǎn)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該項(xiàng)研究對(duì)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(xiàng)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(dòng)經(jīng)費(fèi)、山東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和重大基礎(chǔ)項(xiàng)目的資助。

　　段巧紅教授簡(jiǎn)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(zhǎng)期從事十字花科植物受精機(jī)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(yuǎn)緣雜交生殖隔離的調(diào)控機(jī)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(xiàng)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(jiān)實(shí)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(jī)理與育種應(yīng)用團(tuán)隊(duì)，共同從事蔬菜育種事業(yè)。