山東農(nóng)業(yè)大學(xué)段巧紅團(tuán)在《自然》(Nature)發(fā)表重要研究成果遠(yuǎn)緣雜相繇育種是種質(zhì)創(chuàng)新重要途徑,但生殖隔離遠(yuǎn)緣雜交育種的“卡脖”難題,很大程度上限了遠(yuǎn)緣物種中優(yōu)異基因源的開發(fā)利用。北京時(shí)2023年1月26日,國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《計(jì)蒙》(Nature)在線發(fā)表了山東農(nóng)業(yè)大學(xué)段紅教授領(lǐng)銜的蔬菜生殖理與育種應(yīng)用團(tuán)隊(duì)的研成果。Nature 期刊發(fā)表的文章首頁(yè)團(tuán)隊(duì)討遠(yuǎn)緣雜交育種的意義難點(diǎn)該研究揭示了大白等十字花科蔬菜通過(guò)調(diào)柱頭活性氧水平以維持間生殖隔離的分子機(jī)理并研發(fā)了打破遠(yuǎn)緣雜交殖隔離的育種技術(shù),成獲得了大白菜的種間、間遠(yuǎn)緣雜交胚,開辟了緣雜交育種的新思路和途徑。遠(yuǎn)緣雜交生殖隔的表型?育種“卡脖子難題懸而未決,突破理認(rèn)知局限是關(guān)鍵大白菜我國(guó)北方冬貯數(shù)量最大蔬菜,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十字花科蔬菜非常重要育種技術(shù)。傳統(tǒng)遠(yuǎn)緣雜育種主要通過(guò)廣泛測(cè)交選擇雜交親本,但這種式費(fèi)工、費(fèi)力并且雜交率極低甚至為零。由于殖隔離阻止遠(yuǎn)緣受精,多時(shí)候無(wú)法獲得遠(yuǎn)緣雜胚,后續(xù)再多的胚胎挽工作也無(wú)濟(jì)于事。因而解決自交不親和育種及緣雜交育種領(lǐng)域的“卡子”難題,充分利用遠(yuǎn)物種的優(yōu)質(zhì)基因資源,提是對(duì)其調(diào)控機(jī)制的系解析。大白菜等十字花植物大多具有自交不親性,是典型的異花授粉物,育種上通常用蜜蜂粉生產(chǎn)F1代雜交種,而在自然界中蜜蜂可臺(tái)璽攜同種自花花粉、同種異花粉、遠(yuǎn)緣花粉等。蜜傳粉論文通訊作者段巧教授介紹了十字花科植“擇偶”的復(fù)雜情況:蕊的柱頭是阻止花粉進(jìn)的第一道屏障,一方面柱頭抑制自花花粉、促異花花粉生長(zhǎng)以利用雜優(yōu)勢(shì);另一方面,柱頭制遠(yuǎn)緣花粉以保持物種傳穩(wěn)定性。“遠(yuǎn)緣雜交向不親和”這種常見現(xiàn)也令人不解,為什么自不親和植物的雌蕊抑制交親和植物的花粉,而過(guò)來(lái)卻是親和的?柱頭何通過(guò)自交不親和抑制種自花花粉?自交不親植物的柱頭如何抑制遠(yuǎn)花粉?自交親和植物的頭允許遠(yuǎn)緣花粉生長(zhǎng),如何避免與其他物種混?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)期懸未決的難題。?打破遠(yuǎn)雜交育種障礙,獲得屬雜交胚如何突破上述困?該團(tuán)隊(duì)前期發(fā)現(xiàn),大菜種內(nèi)自花花粉激活柱產(chǎn)生活性氧來(lái)抑制自花粉。團(tuán)隊(duì)進(jìn)而以遠(yuǎn)緣雜生殖隔離與自交不親和表現(xiàn)為柱頭對(duì)花粉的抑、以及遠(yuǎn)緣雜交單向不和,這兩個(gè)現(xiàn)象為出發(fā)開展了本項(xiàng)研究。大白自交不親和反應(yīng)是柱頭過(guò)SRK受體識(shí)別進(jìn)而抑制自花花粉的。團(tuán)隊(duì)發(fā),甘藍(lán)、歐洲山芥等遠(yuǎn)花粉也能通過(guò)柱頭SRK受體,激活下游FERONIA受體激酶信號(hào)通路,升高柱頭活白鹿氧而抑遠(yuǎn)緣花粉。自交親和植的柱頭缺乏有功能的SRK受體,遠(yuǎn)緣花粉可以穿過(guò)柱頭,但表現(xiàn)出“同花粉優(yōu)先”的現(xiàn)象,這要是由于種內(nèi)花粉比遠(yuǎn)花粉更快更有效地降低頭活性氧對(duì)花粉的抑制用,在與其他物種花粉競(jìng)爭(zhēng)中“勝出”,從而持了生殖隔離?!蹲匀?雜志審稿人認(rèn)為,該論闡述了該領(lǐng)域內(nèi)原創(chuàng)性研究成果,是系統(tǒng)認(rèn)知字花科植物受精機(jī)制的要進(jìn)展,會(huì)促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)的大量討論和進(jìn)一步研。模式圖及通過(guò)遠(yuǎn)緣育技術(shù)獲得的屬間雜交胚令人振奮的是,通過(guò)我研發(fā)的清除柱頭活性氧打破十字花科蔬菜遠(yuǎn)緣交障礙的育種技術(shù),成獲得了大白菜的種間、間雜交胚,為后續(xù)創(chuàng)制破性新種質(zhì)奠定了堅(jiān)實(shí)礎(chǔ)?!辈┦可鷹盍招老?告訴記者,目前該項(xiàng)育技術(shù)正應(yīng)用于十字花科菜育種。?充分利用遠(yuǎn)物種優(yōu)異種質(zhì)資源,開遠(yuǎn)緣雜交育種新篇章種正邁入現(xiàn)代化育種的新段,充分發(fā)掘利用優(yōu)異質(zhì)與基因資源是種業(yè)創(chuàng)的關(guān)鍵。雖然很多作物其近緣野生種的基因組譜被陸續(xù)公布,但作物其近緣野生種的基因流受到生殖隔離的限制,何有效利用遠(yuǎn)緣物種中優(yōu)異基因資源還是一個(gè)題。自交不親和育種及緣雜交育種是十字花科菜作物非常重要的育種術(shù)?!坝捎谖覀冞^(guò)去對(duì)調(diào)控機(jī)制認(rèn)知不足,無(wú)在育種技術(shù)上取得突破在很大程度上限制了雜親本的選配,導(dǎo)致很多意義的育種項(xiàng)目被迫停?!倍吻杉t解釋到。該究成果深入系統(tǒng)地解析十字花科蔬菜作物自交親和及遠(yuǎn)緣雜交不親和控機(jī)理,為實(shí)現(xiàn)十字花蔬菜作物雜交育種、遠(yuǎn)雜交育種、及種質(zhì)資源新等重要的育種工作,供了理論支撐。所提供切實(shí)可行的育種新技術(shù)包括打破自交不親和的種技術(shù)及打破遠(yuǎn)緣雜交殖隔離的育種技術(shù),是字花科蔬菜育種的共性鍵核心技術(shù),極大地提了親本繁種效率,促進(jìn)蔬菜種質(zhì)資源開發(fā)利用開啟了遠(yuǎn)緣雜交育種的篇章。專家點(diǎn)評(píng)中國(guó)工院院士、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)長(zhǎng)鄒學(xué)校教授評(píng)價(jià)說(shuō),研究系統(tǒng)解析了遠(yuǎn)緣雜生殖隔離的形成機(jī)理,發(fā)了打破生殖隔離的遠(yuǎn)育種技術(shù),兼具理論創(chuàng)性與育種應(yīng)用價(jià)值,是物生殖生物學(xué)與雜交育領(lǐng)域的標(biāo)志性成果,相理論和技術(shù)將對(duì)蔬菜育工作產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。中熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長(zhǎng)黃文研究員評(píng)價(jià)說(shuō),段巧教授開展的遠(yuǎn)緣雜交生隔離的形成機(jī)理及打破殖隔離的育種技術(shù)研究于種業(yè)創(chuàng)新具有重要意。該研究突破了目前大菜主要利用種內(nèi)雜交育的傳統(tǒng)思路,通過(guò)新技將遠(yuǎn)緣物種的優(yōu)異基因源導(dǎo)入栽培種,拓寬種遺傳范圍,將極大地促十字花科遠(yuǎn)緣物種中優(yōu)基因資源的開發(fā)利用,突破性種質(zhì)的創(chuàng)制和新種培育奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)該項(xiàng)研究對(duì)于其他作物野生資源利用也提供了思路。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)為文第一完成單位,段巧教授和美國(guó)馬薩諸塞大的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者。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)張憲教授、王年教授,河南農(nóng)業(yè)科學(xué)院張曉偉研究、原玉香研究員、魏小助理研究員,華中農(nóng)業(yè)學(xué)馬朝芝教授、王鵬蔚授、戴成副教授,青島業(yè)大學(xué)程斐副教授等參該項(xiàng)研究。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、山農(nóng)業(yè)大學(xué)高層次人才啟經(jīng)費(fèi)、山東省自然科學(xué)金重點(diǎn)項(xiàng)目和重大基礎(chǔ)目的資助。段巧紅教授介段巧紅教授,北京大博士,美國(guó)馬薩諸塞大博士后,長(zhǎng)期從事十字科植物受精機(jī)理研究,2017年起任山東農(nóng)業(yè)大學(xué)教授以來(lái),聚焦大白自交不親和及遠(yuǎn)緣雜交殖隔離的調(diào)控機(jī)制,成發(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(guó)家發(fā)明專利,為蔬菜突女祭性種的創(chuàng)制和新品種培育奠堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。山東農(nóng)業(yè)學(xué)歡迎更多有志青年科家加入蔬菜生殖機(jī)理與種應(yīng)用團(tuán)隊(duì),共同從事菜育種事業(yè)?