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。2023年1月25日，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)段巧紅及馬薩諸塞大學(xué)Alice Y. Cheung共同通訊在Nature?在線發(fā)表題為“Stigma receptors control intraspecies and interspecies barriers in Brassicaceae”的研究論文，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。《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。據(jù)悉，這是山東農(nóng)業(yè)大學(xué)首次以第一單位在Nature?發(fā)表研究成果。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(guó)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(guó)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。段巧紅團(tuán)隊(duì)探討遠(yuǎn)緣雜交育種的意義和難點(diǎn)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(guó)北方冬貯數(shù)量最大的蔬菜，全年播種面積約2700萬(wàn)畝，約占全國(guó)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。遠(yuǎn)緣雜交生殖隔離的表型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?！斑h(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。
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