远缘育种获突破性进展 山东农大团队再破“生殖隔离”难题

11月21日，山东农业大学教授段巧红团队在《科学》（Science）在线发表重大成果，成功鉴定出十字花科植物远缘生殖隔离关键花粉信号分子SIPS，解析了远缘花粉与雌蕊柱头的识别机制，并研发出高效远缘育种技术体系。这是该团队继2021年、2023年分别在《当代生物学》和《自然》发表相关成果后，在植物生殖领域取得的又一突破，也为解决“如何利用作物野生近缘种提升栽培种抗逆特性”这一前沿科学问题提供了切实可行的解决方案。

段巧红教授团队合影。（山东农业大学供图）

作物驯化是一把“双刃剑”。在人类长期筛选高产、优质等优良农艺性状的过程中，栽培种的遗传多样性逐渐降低，抗病虫、耐干旱、抗盐碱等关键抗性基因也随之流失。而野生近缘种中恰恰蕴藏着这些“宝藏基因”，远缘杂交——让栽培种与野生近缘种“跨界联姻”，成为引入优异基因、改良作物特性的有效途径。然而，植物进化形成的种间生殖隔离机制，如同一道难以逾越的“天然屏障”，严重阻碍了不同物种间的基因交流，让远缘育种工作事倍功半。

此前，该团队已发现十字花科植物雌蕊柱头上的SRK受体能够识别远缘花粉并启动防御机制，但触发这一防御反应的“远缘花粉信号”始终是未解之谜。

为破解这一难题，团队以白菜柱头SRK受体为“诱饵”，运用酵母双杂交、免疫共沉淀等先进技术，在花粉总蛋白中成功锁定了关键目标——一种花粉特异表达的小分子蛋白，并将其命名为SIPS（SRK-interacting Interspecific Pollen Signal）。敲除实验证实了SIPS的关键作用：缺失SIPS的拟南芥花粉，能够成功逃避白菜柱头的防御系统，顺利完成水合、萌发乃至受精过程。

值得关注的是SIPS的“通用性”特征。系统研究发现，SIPS在十字花科植物中普遍存在，不同物种的SIPS信号与SRK受体均能实现跨物种互作，通过升高柱头活性氧浓度抑制远缘花粉生长。而在番茄等十字花科之外的物种中，并未发现SIPS同源基因，将番茄花粉授到白菜柱头上也不会引发防御反应；但当把SIPS导入番茄花粉后，番茄花粉便能成功“拉响警报”，触发白菜柱头的防御机制。这一机制宛如植物在柱头处安装的“智能安检系统”：SRK受体通过识别自花花粉的特异性信号和远缘花粉的SIPS信号，分别抑制自交和远缘杂交，既避免了近交衰退，又保障了物种完整性，仅允许种内异花花粉顺利完成受精。

该研究立足国家需求，将基础研究转化为应用技术。十字花科蔬菜的栽培面积占我国蔬菜总面积的25%以上，但其亲缘关系较远的属间杂交一直面临巨大挑战。例如，高抗小菜蛾的欧洲山芥是提升白菜抗虫性的优质基因供体，但由于与白菜亲缘关系较远，多年来远缘杂交尝试均未成功。基于SIPS-SRK互作机制，团队研发出一套高效远缘杂交技术体系：优选自交不亲和性弱的白菜株系作为母本，结合反义寡核苷酸抑制SRK表达或使用活性氧清除剂，有效降低柱头防御门槛。这一“组合拳”让白菜与欧洲山芥的杂交胚获得率从每角果1个提升至3—6个，为后续通过胚挽救、染色体加倍等技术获得抗虫白菜新种质奠定了坚实基础。

中国工程院万建民院士评价，该成果进一步鉴定了远缘花粉信号，总结了十字花科植物生殖隔离的普遍规律，并建立了高效远缘杂交育种技术体系，这些系列成果将大力推动远缘育种进展，是作物遗传育种领域的重大突破。

中国工程院邓秀新院士表示，该研究不仅为十字花科作物的远缘杂交育种提供了关键理论依据，同时为解决其他物种在种间、属间杂交中面临的生殖障碍提供了借鉴和思路，为作物野生种质资源的高效利用和新品种培育提供了新路径。

（中国日报山东记者站 记者：赵瑞雪 通讯员：王静）