山東農(nóng)業(yè)大學(xué)段巧紅團(tuán)隊在《自》（Nature）發(fā)表重要研究成果遠(yuǎn)緣雜交育種是種質(zhì)創(chuàng)新的要途徑，但生殖隔離是遠(yuǎn)緣雜交種的“卡脖子”難題，很大程度限制了遠(yuǎn)緣物種中優(yōu)異基因資源開發(fā)利用。北京時間2023年1月26日，國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表了山東農(nóng)業(yè)大學(xué)段巧紅教授領(lǐng)銜的菜生殖機(jī)理與育種應(yīng)用團(tuán)隊的研成果。Nature 期刊發(fā)表的文章首頁團(tuán)隊探討遠(yuǎn)緣雜交育種意義和難點該研究揭示了大白菜十字花科蔬菜通過調(diào)控柱頭活性水平以維持種間生殖隔離的分子理，并研發(fā)了打破遠(yuǎn)緣雜交生殖離的育種技術(shù)，成功獲得了大白的種間、屬間遠(yuǎn)緣雜交胚，開辟遠(yuǎn)緣雜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”難題懸而未決，突破理認(rèn)知局限是關(guān)鍵大白菜是我國北冬貯數(shù)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)緣雜交育泰山是大菜等十字花科蔬菜非常重要的育技術(shù)。傳統(tǒng)遠(yuǎn)緣雜交育種主要通廣泛測交來選擇雜交親本，但這方式費工、費力并且雜交效率極甚至為零。由于生殖隔離阻止遠(yuǎn)受精，很多時候無法獲得遠(yuǎn)緣雜胚，后續(xù)再多的胚胎挽救工作也濟(jì)于事。因而要解決自交不親和種及遠(yuǎn)緣雜交育種領(lǐng)域的“卡脖”難題，充分利用遠(yuǎn)緣物種的優(yōu)基因資源，前提是對其調(diào)控機(jī)制系統(tǒng)解析。大白菜等十字花科植大多具有自交不親和性，是典型異花授粉作物，育種上通常用蜜授粉生產(chǎn)F1代雜交種，而在自然界中蜜蜂可能攜帶同種自鮨魚花粉同種異花花粉、遠(yuǎn)緣花粉等。蜜傳粉論文通訊作者段巧紅教授介了十字花科植物“擇偶”的復(fù)雜況：雌蕊的柱頭是阻止花粉進(jìn)入第一道屏障，一方面，柱頭抑制花花粉、促進(jìn)異花花粉生長以利雜種優(yōu)勢；另一方面，柱頭抑制緣花粉以保持物種遺傳穩(wěn)定性。遠(yuǎn)緣雜交單向不親和”這種常見象也令人不解，為什么自交不親植物的雌蕊抑制自交親和植物的粉，而反過來卻是親和的？柱頭何通過自交不親和抑制同種自花粉？自交不親和植物的柱頭如何制遠(yuǎn)緣花粉？自交親和植物的柱允許遠(yuǎn)緣花粉生長，那如何避免其他物種混雜？柱頭上是否存在種“同種花粉優(yōu)先”的機(jī)制？這領(lǐng)域仍存在長期懸而未決的難題?打破遠(yuǎn)緣雜交育種障礙，獲得間雜交胚如何突破上述困境？該隊前期發(fā)現(xiàn)，大白菜種內(nèi)自花花激活柱頭產(chǎn)生活性氧來抑制自花粉。團(tuán)隊進(jìn)而以遠(yuǎn)緣雜交生殖隔與自交不親和都表現(xiàn)為柱頭對花的抑制、以及遠(yuǎn)緣雜交單向不親，這兩個現(xiàn)象為出發(fā)點開展了本研究。大白菜自交不親和反應(yīng)是頭通過SRK受體識別進(jìn)而抑制自花花粉的。團(tuán)隊發(fā)犀牛，甘藍(lán)、歐山芥等遠(yuǎn)緣花粉也能通過柱頭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。自交親和植的柱頭缺乏有功能的SRK受體，遠(yuǎn)緣花粉可以穿過柱頭，但表現(xiàn)“同種花粉優(yōu)先”的現(xiàn)象，這主是由于種內(nèi)花粉比遠(yuǎn)緣花粉更快有效地降低柱頭活性氧對花粉的制作用，在與其他物種花粉的競中“勝出”，從而維持了生殖隔?！蹲匀弧冯s志審稿人認(rèn)為，該文闡述了該領(lǐng)域內(nèi)原創(chuàng)性的研究果，是系統(tǒng)認(rèn)知十字花科植物受機(jī)制的重要進(jìn)展，會促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)的大量討論和進(jìn)一步研究。模式及通過遠(yuǎn)緣育種技術(shù)獲得的屬間交胚“令人振奮的是，通過我們發(fā)的清除柱頭活性氧以打破十字科蔬菜遠(yuǎn)緣雜交障礙的育種技術(shù)成功獲得了大白菜的種間、屬間交胚，為后續(xù)創(chuàng)制突破性新種質(zhì)定了堅實基礎(chǔ)?！辈┦可鷹盍招?地告訴記者，目前該項育種技術(shù)應(yīng)用于十字花科蔬菜育種。?充利用遠(yuǎn)緣物種優(yōu)異種質(zhì)資源，開遠(yuǎn)緣雜交育種新篇章種業(yè)正邁入代化育種的新階段，充分發(fā)掘利優(yōu)異種質(zhì)與基因資源是種業(yè)創(chuàng)新關(guān)鍵。雖然很多作物及其近緣野種的基因組圖譜被陸續(xù)公布，但物與其近緣野生種的基因流動受生殖隔離的限制，如何有效利用緣物種中的優(yōu)異基因資源還是一難題。自交不親和育種及遠(yuǎn)緣雜育種是十字花科蔬菜作物非常重的育種技術(shù)?！坝捎谖覀冞^去對調(diào)控機(jī)制認(rèn)知不足，無法在育種術(shù)上取得突破，在很大程度上限了雜交親本的選配，導(dǎo)致很多有義的育種項目被迫停滯。”段巧解釋到。該研究成果深入系統(tǒng)地析了十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)理，為現(xiàn)十字花科蔬菜作物雜交育種、緣雜交育種、及種質(zhì)資源創(chuàng)新等要的育種工作，提供了理論支撐所提供的切實可行的育種新技術(shù)包括打破自交不親和的育種技術(shù)打破遠(yuǎn)緣雜交生殖隔離的育種技，是十字花科蔬菜育種的共性關(guān)核心技術(shù)，極大地提高了親本繁效率，促進(jìn)了蔬菜種質(zhì)資源開發(fā)用，開啟了遠(yuǎn)緣雜交育種的新篇。專家點評中國工程院院士、湖農(nóng)業(yè)大學(xué)校長鄒學(xué)校教授評價說該研究系統(tǒng)解析了遠(yuǎn)緣雜交生殖離的形成機(jī)理，開發(fā)了打破生殖離的遠(yuǎn)緣育種技術(shù)，兼具理論創(chuàng)性與育種應(yīng)用價值，是植物生殖物學(xué)與雜交育種領(lǐng)域的標(biāo)志性成，相關(guān)理論和技術(shù)將對蔬菜育種作產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。中國熱帶農(nóng)業(yè)學(xué)院院長黃三文研究員評價說，巧紅教授開展的遠(yuǎn)緣雜交生殖隔的形成機(jī)理及打破生殖隔離的育技術(shù)研究對于種業(yè)創(chuàng)新具有重要義。該研究突破了目前大白菜主利用種內(nèi)雜交育種的傳統(tǒng)思路，過新技術(shù)將遠(yuǎn)緣物種的優(yōu)異基因源導(dǎo)入栽培種，拓寬種質(zhì)遺傳范，將極大地促進(jìn)十字花科遠(yuǎn)緣物中優(yōu)異基因資源的開發(fā)利用，為破性種質(zhì)的創(chuàng)制和新品種培育奠堅實的基礎(chǔ)。該項研究對于其他物的野生資源利用也提供了新思。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)為論文第一完成位，段巧紅教授和美國馬薩諸塞學(xué)的Alice Y. Cheung教授為共同通訊作者。黃家保副教授、博士生楊琳為共曾子第一者。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)張憲省教授、年教授，河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院張曉研究員、原玉香研究員、魏小春理研究員，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)馬朝芝授、王鵬蔚教授、戴成副教授，島農(nóng)業(yè)大學(xué)程斐副教授等參與該研究。該研究得到了國家自然科基金、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)高層次人才動經(jīng)費、山東省自然科學(xué)基金重項目和重大基礎(chǔ)項目的資助。段紅教授簡介段巧紅教授，北京大博士，美國馬薩諸塞大學(xué)博士后長期從事十字花科植物受精機(jī)理究，2017年起任山東農(nóng)業(yè)大學(xué)教授以來，聚焦大司幽菜自交不親及遠(yuǎn)緣雜交生殖隔離的調(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項國家發(fā)明專利，為蔬菜突破性種質(zhì)的創(chuàng)和新品種培育奠定堅實的基礎(chǔ)。東農(nóng)業(yè)大學(xué)歡迎更多有志青年科家加入蔬菜生殖機(jī)理與育種應(yīng)用隊，共同從事蔬菜育種事業(yè)?
