《當代生物學》：如何防止“有情人”終成“兄妹”？

超過60%的被子植物自交不親和，即近親不能“婚配”。雌蕊能夠分辨出一顆落在柱頭上的花粉是不是“自家人”，但隨後，雌蕊啟動了怎樣的響應機制來阻止自家花粉的受精？

北京時間2021年5月19日晚23時，

《當代生物學》（）

線上發表了山東農業大學園藝科學與工程學院教授段巧紅團隊的最新成果。

他們以十字花科大白菜為研究物件，從自花花粉與異花花粉引起柱頭不同的生理變化入手，發現自花授粉特異性升高柱頭活性氧，而異花授粉導致柱頭活性氧的降低，且

證實了活性氧是維持大白菜自交不親和的必需因素，解析了植物抑制自花花粉以防止“近親婚配”的分子機制。

活性氧是抑制因子

前人研究已經發現，自花花粉的識別依賴於花粉中SP11/SCR 配體與柱頭乳突細胞細胞膜上的SRK受體特異性結合，從而引發乳突細胞內部發生一系列反應，並最終阻止自花花粉的水合、萌發與生長。

“十字花科柱頭是幹柱頭，花粉的萌發依賴於柱頭乳突細胞運送的水分和營養分子，而柱頭識別自花花粉之後，會阻止這些親和因子的運送，因此不能支援自花花粉的萌發和生長。”論文通訊作者段巧紅告訴《中國科學報》，十字花科是否存在柱頭對自花花粉的抑制因子及其分子機制，此前還不清楚。

經過研究，“我們發現柱頭活性氧就是花粉的抑制因子。柱頭活性氧在自花授粉後特異性地迅速升高，從而抑制了花粉在柱頭的萌發。”

為什麼柱頭活性氧在自花授粉後特異性升高？

段巧紅說，要從分子和遺傳水平上解析活性氧調控大白菜自交不親和的分子機制，實屬不易。因為大白菜屬於AA基因組，遺傳轉化非常困難。

段巧紅團隊首次利用反義寡核苷酸處理大白菜柱頭，特異性抑制相關基因的表達，從而使得大白菜喪失自交不親和性，自花花粉得以生長。

利用上述巧妙的實驗設計，團隊發現，柱頭活性氧是由NADPH氧化酶這個基因家族的活性氧合成酶（呼吸爆發酶，Rbohs）合成的，且活性氧在自花授粉後1分鐘之內就顯著升高，說明其活性氧合成酶的酶活性受到自花花粉的迅速啟用。

該團隊進而發現，活性氧合成酶受到上游調控因子Rac/ROP小G蛋白及細胞表面受體激酶FERONIA的調控。

抑制該訊號通路則阻止自花授粉引起的柱頭活性氧升高，使柱頭不再抑制自花花粉的萌發和生長。

段巧紅說，這表明，FERONIA-Rac/ROP-Rboh這個訊號通路模組在調控大白菜自交不親和過程中發揮著不可或缺的重要作用。

北京師範大學教授任海雲告訴《中國科學報》，很多被子植物柱頭積累高濃度的活性氧，但是關於活性氧是否調控十字花科植物的自交不親和，至今還沒有確切的結論。段巧紅團隊這項成果，明確地揭示了柱頭活性氧對十字花科植物大白菜自交不親和的正調控作用，及自花花粉透過FERONIA這個受體激酶訊號通路，啟用柱頭乳突細胞產生活性氧，從而抑制自花花粉的萌發與生長。

“這是一個非常有趣和重要的發現，為花粉與柱頭相互作用這一研究領域開闢了一個新穎的研究方向。”任海雲說，期待下一步的研究能夠回答，自花花粉如何啟用FERONIA訊號通路以及花粉與柱頭互作的諸多未知問題。

ROS抑制劑處理打破大白菜自交不親和。

根據需要調控自交不親和，有利於十字花科育種

“近親婚配”引起隱性有害基因的純合，導致後代生活力的衰退。段巧紅介紹，高等植物在長期進化中，形成了“自交不親和”這種有利於異花授粉，從而保持種群內個體高度雜合性的生殖機制。

段巧紅說，雌雄兩性機能正常，但同株花粉或姊妹株花粉的生長會特異性受到雌蕊的抑制，防止其趁“近水樓臺”之便先完成受精，這就為透過風或昆蟲等媒介所授的異花花粉創造了受精機會。

自交不親和這種有趣且非常有用的現象，在超過60%的被子植物中都存在，涉及320多個科，3000多種植物，包括十字花科、禾本科、豆科、茄科、菊科、薔薇科、石蒜科、罌粟科等，其中以十字花科植物最為普遍。

段巧紅介紹，在植物，特別是在十字花科蔬菜作物育種中，可利用這種特性選育遺傳上穩定的自交不親和系，從而不用去雄就能生產雜交種子，以利用雜種優勢。

國家大宗蔬菜產業技術體系大白菜遺傳改良崗位科學家張鳳蘭接受《中國科學報》採訪時說，我國從上世紀70年代中期開始大白菜雜種優勢的利用研究，選育自交不親和系生產大白菜雜交種，育成了上千個品種在生產中推廣應用。

繁殖大白菜自交不親和系一般採用人工剝蕾自交授粉或噴施食鹽水克服自交不親和這兩種方法，但前者費時費力、人工成本高，後者存在個別不親和繫結籽少及引起繁種地塊土壤鹽漬化的擔憂。

另外，強自交不親和系作為親本有利於防止假雜種的產生，提高生產雜交種的純度；但同時強自交不親和系親本繁殖困難，限制其作為雜交親本應用，導致自交不親和性比較強的優異種質資源不能得到有效利用。

“因此，尋找克服大白菜自交不親和的有效方法在十字花科蔬菜作物育種中至關重要。”張鳳蘭說，段巧紅團隊的這項研究成果及相關自交不親和系繁殖技術，有望顯著提高自交不親和系親本的擴繁效率，對十字花科蔬菜作物雜交育種及種質資源創新具有重要意義。

柱頭中ROP2與RbohDF互作調控ROS積累。

開發新的繁種技術

重要的是，段巧紅團隊發現，甘藍、蘿蔔與大白菜一樣，自交也導致柱頭活性氧的升高，降低柱頭活性氧則喪失自交不親和能力。這表明透過活性氧抑制自花花粉這種自交不親和調控機制，在十字花科植物包括大白菜、甘藍、蘿蔔等蔬菜作物與油菜等油料作物中是非常保守的。

“我們檢測了很多種結球大白菜、不結球白菜（四九菜心）、羽衣甘藍、蘿蔔，都是自花授粉後柱頭活性氧升高，用ROS合成酶抑制劑DPI抑制柱頭活性氧的產生，柱頭則喪失自交不親和，不能再阻止自花花粉。說明自花花粉引起柱頭ROS升高，並最終抑制自花花粉這一機制，在十字花科植物中是比較普遍存在的。”段巧紅說。

段巧紅說，以大白菜為物件研究十字花科蔬菜作物的自交不親和調控機理，不僅是一個重要的科學問題，也具有育種上的實踐意義。

段巧紅團隊已經開發出新的繁種技術，即透過噴施活性氧清除劑，降低柱頭活性氧含量，打破自交不親和，促進自交結籽。目前已經獲得2項國家發明專利，正在進行大田實驗以應用到育種實踐中。

相關論文資訊：

https：//doi。org/10。1016/j。cub。2021。04。060