山东农业大学研究生处，山东农业大学研究生管理系统
责编 | 王一
2023年1月25日，山东农业大学段巧红教授领衔的蔬菜生殖机理与育种应用团队在Nature发表了题为Stigma receptors control intraspecies and interspecies barriers in Brassicaceae的研究论文，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。
大白菜是我国北方冬贮数量最大的蔬菜，全年播种面积约2700万亩，约占全国蔬菜总播种面积的14.4%。自交不亲和育种以及远缘杂交育种是大白菜等十字花科蔬菜非常重要的育种技术。
传统远缘杂交育种主要通过广泛测交来选择杂交亲本，但这种方式费工、费力并且杂交效率极低甚至为零。由于生殖隔离阻止远缘受精，很多时候无法获得远缘杂交胚，后续再多的胚胎挽救工作也无济于事。因而要解决自交不亲和育种及远缘杂交育种领域的“卡脖子”难题，充分利用远缘物种的优质基因资源，前提是对其调控机制的系统解析。
段巧红团队前期发现，大白菜种内自花花粉激活柱头产生活性氧来抑制自花花粉。团队进而以远缘杂交生殖隔离与自交不亲和都表现为柱头对花粉的抑制、以及远缘杂交单向不亲和，这两个现象为出发点开展了本项研究。
大白菜自交不亲和反应是柱头通过SRK受体识别进而抑制自花花粉的。该研究发现，甘蓝、欧洲山芥等远缘花粉也能通过柱头SRK受体，激活下游FERONIA受体激酶信号通路，升高柱头活性氧而抑制远缘花粉。自交亲和植物的柱头缺乏有功能的SRK受体，远缘花粉可以穿过柱头，但表现出“同种花粉优先”的现象，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，在与其他物种花粉的竞争中“胜出”，从而维持了生殖隔离。
模式图
值得一提的是，研究团队利用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。
该研究成果深入系统地解析了十字花科蔬菜作物自交不亲和及远缘杂交不亲和调控机理，为实现十字花科蔬菜作物杂交育种、远缘杂交育种、及种质资源创新等重要的育种工作，提供了理论支撑。所提供的切实可行的育种新技术，包括打破自交不亲和的育种技术及打破远缘杂交生殖隔离的育种技术，是十字花科蔬菜育种的共性关键核心技术，极大地提高了亲本繁种效率，促进了蔬菜种质资源开发利用，开启了远缘杂交育种的新篇章。
山东农业大学为论文第一完成单位，段巧红教授和美国马萨诸塞大学的Alice Y. Cheung教授为共同通讯作者。黄家保副教授、博士生杨琳为共同第一作者。山东农业大学张宪省教授、王年教授，河南省农业科学院张晓伟研究员、原玉香研究员、魏小春助理研究员，华中农业大学马朝芝教授、王鹏蔚教授、戴成副教授，青岛农业大学程斐副教授等参与该项研究。该研究得到了国家自然科学基金、山东农业大学高层次人才启动经费、山东省自然科学基金重点项目和重大基础项目的资助。
段巧红教授简介
段巧红教授长期从事十字花科植物受精机理研究，研究成果发表在Nature、Nature Communications、PNAS等科技期刊。2017年从美国马萨诸塞州回国，在山东农业大学组建蔬菜生殖机理与育种应用团队，解析大白菜等十字花科蔬菜自交不亲和及远缘杂交生殖隔离的调控机理，为解决蔬菜育种的“卡脖子”难题、拓宽种质遗传范围、创制突破性种质、培育新品种提供了新思路和新途径。研究成果发表在Nature、 Current Biology等科技期刊，授权2项国家发明专利。2021年被评为教育部长江学者特聘教授。
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05640-x
山东农业大学研究生处(山东农业大学研究生管理系统)