山東農(nóng)業(yè)大學(xué)段巧紅團(tuán)隊(duì)《自然》（Nature）發(fā)表重要研究成果遠(yuǎn)緣雜育種是種質(zhì)創(chuàng)新的重要途，但生殖隔離是遠(yuǎn)緣雜交種的“卡脖子”難題，很程度上限制了遠(yuǎn)緣物種中異基因資源的開發(fā)利用。京時(shí)間2023年1月26日，國際著名學(xué)術(shù)期刊《然》（Nature）在線發(fā)表了山東農(nóng)業(yè)大學(xué)段巧教授領(lǐng)銜的蔬菜生殖機(jī)理育種應(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)緣雜育種的意義和難點(diǎn)該研究示了大白菜等十字花科蔬通過調(diào)控柱頭活性氧水平維持種間生殖隔離的分子理，并研發(fā)了打破遠(yuǎn)緣雜生殖隔離的育種技術(shù)，成獲得了大白菜的種間、屬遠(yuǎn)緣雜交胚，開辟了遠(yuǎn)緣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”難題懸而決，突破理論認(rèn)知局限是鍵大白菜是我國北方冬貯量最大的蔬菜，全年播種積約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字花科蔬菜非常重要的育技術(shù)。傳統(tǒng)遠(yuǎn)緣雜交育種要通過廣泛測交來選擇雜親本，但這種方式費(fèi)工、力并且雜交效率極低甚至零。由于生殖隔離阻止遠(yuǎn)受精，很多時(shí)候無法獲得緣雜交胚，后續(xù)再多的胚挽救工作也無濟(jì)于事。因要解決自交不親和育種及緣雜交育種領(lǐng)域的“卡脖”難題，充分利用遠(yuǎn)緣物的優(yōu)質(zhì)基因資源，前提是其調(diào)控機(jī)制的系統(tǒng)解析。白菜等十字花科植物大多有自交不親和性，是典型異花授粉作物，育種上通用蜜蜂授粉生產(chǎn)F1代雜交種，而在自然界中蜜蜂可攜帶同種自花花粉、同種花花粉、遠(yuǎn)緣花粉等。蜜傳粉論文通訊作者段巧紅授介紹了十字花科植物“偶”的復(fù)雜情況：雌蕊的頭是阻止花粉進(jìn)入的第一屏障，一方面，柱頭抑制花花粉、促進(jìn)異花花粉生以利用雜種優(yōu)勢；另一方，柱頭抑制遠(yuǎn)緣花粉以保物種遺傳穩(wěn)定性。“遠(yuǎn)緣交單向不親和”這種常見象也令人不解，為什么自不親和植物的雌蕊抑制自親和植物的花粉，而反過卻是親和的？柱頭如何通自交不親和抑制同種自花粉？自交不親和植物的柱如何抑制遠(yuǎn)緣花粉？自交和植物的柱頭允許遠(yuǎn)緣花生長，那如何避免與其他種混雜？柱頭上是否存在種“同種花粉優(yōu)先”的機(jī)？這些領(lǐng)域仍存在長期懸未決的難題。?打破遠(yuǎn)緣交育種障礙，獲得屬間雜胚如何突破上述困境？該隊(duì)前期發(fā)現(xiàn)，大白菜種內(nèi)花花粉激活柱頭產(chǎn)生活性來抑制自花花粉。團(tuán)隊(duì)進(jìn)以遠(yuǎn)緣雜交生殖隔離與自不親和都表現(xiàn)為柱頭對花的抑制、以及遠(yuǎn)緣雜交單不親和，這兩個(gè)現(xiàn)象為出點(diǎn)開展了本項(xiàng)研究。大白自交不親和反應(yīng)是柱頭通SRK受體識別進(jìn)而抑制自花花粉的。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，甘、歐洲山芥等遠(yuǎn)緣花粉也通過柱頭SRK受體，激活下游FERONIA受體激酶信號通路，升高柱頭活氧而抑制遠(yuǎn)緣花粉。自交和植物的柱頭缺乏有功能SRK受體，遠(yuǎn)緣花粉可以穿過柱頭，但表現(xiàn)出“同花粉優(yōu)先”的現(xiàn)象，這主是由于種內(nèi)花粉比遠(yuǎn)緣花更快更有效地降低柱頭活氧對花粉的抑制作用，在其他物種花粉的競爭中“出”，從而維持了生殖隔?！蹲匀弧冯s志審稿人認(rèn)，該論文闡述了該領(lǐng)域內(nèi)創(chuàng)性的研究成果，是系統(tǒng)知十字花科植物受精機(jī)制重要進(jìn)展，會促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)的大量討論和進(jìn)一步研究模式圖及通過遠(yuǎn)緣育種技獲得的屬間雜交胚“令人奮的是，通過我們研發(fā)的除柱頭活性氧以打破十字科蔬菜遠(yuǎn)緣雜交障礙的育技術(shù)，成功獲得了大白菜種間、屬間雜交胚，為后創(chuàng)制突破性新種質(zhì)奠定了實(shí)基礎(chǔ)。”博士生楊琳欣地告訴記者，目前該項(xiàng)育技術(shù)正應(yīng)用于十字花科蔬育種。?充分利用遠(yuǎn)緣物優(yōu)異種質(zhì)資源，開啟遠(yuǎn)緣交育種新篇章種業(yè)正邁入代化育種的新階段，充分掘利用優(yōu)異種質(zhì)與基因資是種業(yè)創(chuàng)新的關(guān)鍵。雖然多作物及其近緣野生種的因組圖譜被陸續(xù)公布，但物與其近緣野生種的基因動受到生殖隔離的限制，何有效利用遠(yuǎn)緣物種中的異基因資源還是一個(gè)難題自交不親和育種及遠(yuǎn)緣雜育種是十字花科蔬菜作物常重要的育種技術(shù)?！坝?我們過去對其調(diào)控機(jī)制認(rèn)不足，無法在育種技術(shù)上得突破，在很大程度上限了雜交親本的選配，導(dǎo)致多有意義的育種項(xiàng)目被迫滯?！倍吻杉t解釋到。該究成果深入系統(tǒng)地解析了字花科蔬菜作物自交不親及遠(yuǎn)緣雜交不親和調(diào)控機(jī)，為實(shí)現(xiàn)十字花科蔬菜作雜交育種、遠(yuǎn)緣雜交育種及種質(zhì)資源創(chuàng)新等重要的種工作，提供了理論支撐所提供的切實(shí)可行的育種技術(shù)，包括打破自交不親的育種技術(shù)及打破遠(yuǎn)緣雜生殖隔離的育種技術(shù)，是字花科蔬菜育種的共性關(guān)核心技術(shù)，極大地提高了本繁種效率，促進(jìn)了蔬菜質(zhì)資源開發(fā)利用，開啟了緣雜交育種的新篇章。專點(diǎn)評中國工程院院士、湖農(nóng)業(yè)大學(xué)校長鄒學(xué)校教授價(jià)說，該研究系統(tǒng)解析了緣雜交生殖隔離的形成機(jī)，開發(fā)了打破生殖隔離的緣育種技術(shù)，兼具理論創(chuàng)性與育種應(yīng)用價(jià)值，是植生殖生物學(xué)與雜交育種領(lǐng)的標(biāo)志性成果，相關(guān)理論技術(shù)將對蔬菜育種工作產(chǎn)深遠(yuǎn)影響。中國熱帶農(nóng)業(yè)學(xué)院院長黃三文研究員評說，段巧紅教授開展的遠(yuǎn)雜交生殖隔離的形成機(jī)理打破生殖隔離的育種技術(shù)究對于種業(yè)創(chuàng)新具有重要義。該研究突破了目前大菜主要利用種內(nèi)雜交育種傳統(tǒng)思路，通過新技術(shù)將緣物種的優(yōu)異基因資源導(dǎo)栽培種，拓寬種質(zhì)遺傳范，將極大地促進(jìn)十字花科緣物種中優(yōu)異基因資源的發(fā)利用，為突破性種質(zhì)的制和新品種培育奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。該項(xiàng)研究對于其他物的野生資源利用也提供新思路。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)為文第一完成單位，段巧紅授和美國馬薩諸塞大學(xué)的Alice Y. Cheung教授為共同通訊作者。黃家保副教后稷、博士生楊為共同第一作者。山東農(nóng)大學(xué)張憲省教授、王年教，河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院張曉研究員、原玉香研究員、小春助理研究員，華中農(nóng)大學(xué)馬朝芝教授、王鵬蔚授、戴成副教授，青島農(nóng)大學(xué)程斐副教授等參與該研究。該研究得到了國家然科學(xué)基金、山東農(nóng)業(yè)大高層次人才啟動經(jīng)費(fèi)、山省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目重大基礎(chǔ)項(xiàng)目的資助。段紅教授簡介段巧紅教授，京大學(xué)博士，美國馬薩諸大學(xué)博士后，長期從事十花科植物受精機(jī)理研究，2017年起任山東農(nóng)業(yè)大學(xué)教授以來，聚焦大鸮菜自不親和及遠(yuǎn)緣雜交生殖隔的調(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，為蔬菜突性種質(zhì)的創(chuàng)制和新品種培奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。山東農(nóng)大學(xué)歡迎更多有志青年科家加入蔬菜生殖機(jī)理與育應(yīng)用團(tuán)隊(duì)，共同從事蔬菜種事業(yè)?
