Nature：打破自交不亲和、种间属间隔离，成功培育白菜远缘杂交胚

为了获得亲本优良性状、同时摒弃亲本中的不良性状，杂交一直是人类培养优良作物的重要方法，包括种内杂交和远缘杂交。

远缘杂交育种是种质创新的重要途径，能有效拓宽种质资源遗传范围。远缘杂交指植物分类学上同属的不同种（种间杂交）、甚至是不同属、或亲缘关系更远的植物类型间所进行的杂交。因而，相比于种内杂交，远缘杂交大大扩大了潜在的优秀基因库。

但生殖隔离严重阻碍了这一技术的应用。传统远缘杂交育种主要通过广泛测交选择杂交亲本，费工、费力且杂交效率极低，甚至为零。如何跨越屏障、将优质基因资源拿来为目标物种所用？

“想要充分利用远缘物种的优质基因资源，首先要对其调控机制进行系统解析。”近日，山东农业大学段巧红教授领导的蔬菜生殖机理与育种应用团队在Nature上发表了最新研究成果：“Stigma receptors control intraspecies and interspecies barriers in Brassicaceae”。

该研究揭示了大白菜等十字花科蔬菜通过调控柱头活性氧水平以维持种间生殖隔离的分子机理，并研发了打破远缘杂交生殖隔离的育种技术，成功获得了大白菜的种间、属间远缘杂交胚，开辟了远缘杂交育种的新思路和新途径。

十字花科包含了众多我们常吃的蔬菜：大白菜、花椰菜、西兰花、甘蓝、芥菜、萝卜、油菜等，是中国栽培最广泛、食用量最多的一“科”蔬菜，种植面积约占蔬菜总面积的 25%。其育种意义不言而喻。而其中的大白菜更是重中之重——作为我国北方冬贮量最大的一种蔬菜，其全年播种面积约 2700 万亩，约占全国蔬菜总播种面积的 14.4%。

十字花科植物大多具有自交不亲和性，是异花授粉作物。自交不亲和育种以及远缘杂交育种，是对这类蔬菜育种的重要技术，也因此充满了该育种方式自带的“生殖隔离”难题。

开花植物进化出许多种内和种间的生殖屏障，以防止产生不利的后代。在自然界中，一朵开放的花朵的柱头暴露于其自身物种的花粉、近缘和远缘种间的花粉，因此必须对此做出相应的“取舍”。

▲图 | 花的结构

在种内（intraspecies），自交不亲和性（self-incompatibility，SI）是一种广泛存在的机制，它“拒绝接受”自己植株所产生的花粉，以避免近亲繁殖所导致的衰退；同时，接受种内其他植物的花粉来促进杂种优势。

在种间（interspecies），情况更为复杂。种间的生殖隔离限制物种之间的繁殖，维持着物种的稳定性和完整性。种间杂交通常遵循 SI×SC（self-compatible，自交亲和）规则，“在 SI 上 UI，在 SC 上 UC”——即种间花粉在 SI 雌蕊上单方面不相容（unilaterally incompatible，UI），但在 SC 雌蕊上单方面相容（unilaterally compatible，UC）。

这拗口又令人不解的规律，正是该团队致力于解开的谜团。“远缘杂交单向不亲和”中，为什么 SI 植物的雌蕊抑制 SC 植物的花粉，反之却是亲和的？SI 植物如何抑制远缘花粉？SC 植物既然允许远缘花粉生长，那谈何种间“隔离”？SI 本身又是怎样的机制？如何抑制自己的花粉？SI、UI、SC 和 UC 的分子机制及其在十字花科植物中的相互联系，至今仍不清楚。

该研究最终发现，雌蕊柱头上的活性氧（ROS）是亲和与否的关键因素：远缘花粉通过刺激柱头升高 ROS 或者阻止其下降，抑制远缘花粉的生长，从而造成物种间的隔离。

▲图 | 受FER调控的 ROS 对 SI、UI、SC 和 UC 反应的作用模式（来源：[4]）

具体而言，在不亲和的反应中，S-位点富含半胱氨酸蛋白/S-位点蛋白 11（SCR/SP11）或者来自 UI 花粉的信号，与 S-位点受体激酶 (SRK) 结合，招募 FERONIA（FER) ，并激活 SI 柱头中 FER 所介导的活性氧的产生，以“拒绝”花粉。

对于亲和反应，SC 植物的柱头缺乏有功能的 SRK 受体，远缘花粉可以穿过柱头；来自 SC 和 UC 花粉的不同B类花粉外壳蛋白，不同地触发一氧化氮、亚硝酸盐 FER 以抑制 SC 柱头中的活性氧，但表现出“同种花粉优先”的现象，而这主要是由于种内花粉比远缘花粉更快更有效地降低柱头活性氧对花粉的抑制作用。

综上所述，SRK 和 FER 整合了种内和种间屏障的机制，并为十字花科作物的远距离育种提供了途径。

“令人振奋的是，通过我们研发的清除柱头活性氧以打破十字花科蔬菜远缘杂交障碍的育种技术，成功获得了大白菜的种间、属间杂交胚，为后续创制突破性新种质奠定了坚实基础。”博士生杨琳在接受光明日报采访时说。目前该项育种技术正应用于十字花科蔬菜育种。