转自：中国科学报

蜜蜂在花丛中穿梭，就像忙碌的“月老”，在花丛中不经意间牵起无数“红线”。令人惊奇的是，每一朵花的雌蕊都拥有绝佳的“眼力”，能从混杂的花粉中，一眼认出属于自己的那位“意中人”，从而牢牢守住物种之间的界限。这背后的奥秘，始终深深吸引着科学家。

每年春秋时节，山东农业大学园艺科学与工程学院教授段巧红的实验田里，各类十字花科植物渐次绽放。

每天清晨阳光洒落，花朵初绽，段巧红便带领团队如蜜蜂般细致地为花朵授粉。这项工作他们一坚持就是近十年——只为揭开十字花科植物远缘生殖隔离的深层奥秘。

11月21日，他们的研究成果发表在《科学》杂志。这项工作成功鉴定出触发十字花科植物远缘生殖隔离的关键花粉信号分子SIPS，解析了远缘花粉与雌蕊柱头的识别机制，并基于此开发出高效的远缘育种技术体系，让十字花科蔬菜远缘育种驶入“快车道”。

看得见的宝藏，打不破的墙

在千万年的进化中，被子植物产生了自交不亲和机制，即雌蕊的柱头能特异性识别并抑制自花花粉的萌发和受精，从而促进异花授粉，避免近交衰退。所谓近交衰退是指由于父本和母本的亲缘关系过于接近，导致其后代出现生活力下降、适应性降低、繁殖力下降等衰退现象。

很多自交不亲和植物都依靠蜜蜂等昆虫传粉，当蜜蜂身上携带的不同植物的花粉落在雌蕊上时，柱头并非被动接受，它能从不同物种的花粉中，准确识别并接纳适合自己的同种花粉，又能识别并抑制其他物种的花粉。实际上，雌蕊柱头上高达70%的花粉来自远缘物种。这一神奇的“择偶”能力，其背后藏着严密的“生殖隔离”机制。

种间生殖隔离指不同物种之间无法成功受精或无法产生可育后代的自然现象。中国工程院院士、华中农业大学教授邓秀新强调，远缘杂交育种是利用野生近缘种优良性状、提升栽培种遗传多样性的重要途径，但受到生殖隔离障碍的制约。

中国工程院院士、中国农业科学院作物科学研究所研究员万建民指出，生殖隔离既是物种形成与维持的关键机制，也是作物远缘杂交育种的主要障碍。

在我国，十字花科蔬菜在蔬菜产业中占据举足轻重的地位，栽培面积占总面积的25%以上。白菜、甘蓝、萝卜等日常蔬菜都属于这一科。然而，在长期的人工驯化过程中，作物丢失了大量抗病虫、抗逆等优良抗性基因。这些基因在野生近缘种中得以完整保存，成为育种家眼中的“宝藏”。

论文共同通讯作者段巧红告诉《中国科学报》，以欧洲山芥为例，这种十字花科山芥属野生植物对小菜蛾等害虫具有极强的抗性，是提高白菜抗虫性的理想基因供体。但长期以来，育种家尝试通过远缘杂交，将其优异抗性基因导入白菜，都因生殖隔离而屡屡失败。

这成为了段巧红团队想要攻克的难点。传统远缘杂交育种就像盲人摸象，育种家只能通过大规模测交来筛选可用材料，耗时耗力且效率低下。“打破远缘物种的生殖隔离后，能更有效地利用其他物种的优异基因改良栽培种。”段巧红说。

触发生殖隔离的远缘花粉“通用标识”

段巧红团队从一开始就关注到了十字花科蔬菜的育种困境，并由此凝练出三个亟需解决的科学问题：“雌蕊柱头上识别远缘花粉的受体是什么，花粉上携带的远缘信号分子是什么，远缘花粉是如何被柱头抑制的”。团队围绕这三个关键科学问题展开对十字花科植物种间生殖隔离机制的系统研究。

他们于2023年在《自然》发表论文，首次揭示了柱头受体SRK不仅识别自花花粉，还用于识别远缘花粉，并启动柱头活性氧这一防御系统，抑制远缘花粉生长。这一发现解开了两个关键问题，并将自交不亲和与远缘杂交生殖隔离联系起来，为后续研究奠定了基础。

“我们发现SRK受体同时参与两种生殖隔离时，就像在迷宫中找到了一条新路径。”段巧红回忆道，“《自然》那篇论文虽然找到了识别远缘花粉的受体，但花粉上携带的远缘信号分子是什么还不知道”。

团队决定以SRK受体为“诱饵”，采用“双管齐下”的策略，同时使用酵母双杂交和免疫共沉淀技术，在花粉总蛋白中寻找互作蛋白。这两种方法分别筛选出45个和800多个候选蛋白，令人惊喜的是，它们的交集只有一个——那就是在花粉中特异表达的小分子蛋白SIPS。

论文共同第一作者、山东农业大学副教授曹芸运透露：“这项工作初期最困难的环节是实验材料的收集。我们需要大量当天开放的花，我带领着四五个学生花了2个多月才收集到足够的花用于上述互作蛋白的鉴定工作。现在回头来看，我们真的非常幸运地找到了目标蛋白”。

论文共同第一作者、山东农业大学副教授杨印庆发现，SIPS在十字花科植物花粉中普遍存在，但在番茄等十字花科以外的物种中没有找到同源基因。敲除SIPS基因后，拟南芥突变体的花粉成功“骗过”了白菜柱头的防御系统，顺利完成受精。相反，在番茄花粉中异源表达SIPS后，原本被“无视”的番茄花粉在白菜柱头上竟然触发了强烈的防御反应。

段巧红兴奋地描述这一发现：“SRK就像柱头的‘安检系统’，而SIPS就像是远缘花粉的‘通用标识’”。只要检测到SIPS信号，柱头就会立即拉响警报，通过升高活性氧来抑制花粉生长。

她强调，这一信号通路在十字花科植物中高度保守，不同物种的SIPS与SRK都能跨物种互作，解释了十字花科不同物种间维持生殖隔离的普遍规律。而在自交不亲和过程中，自花花粉因其携带的SCR“专用标识”，而被SRK特异性的识别，并被柱头精准抑制。只有种内异花花粉，可以顺利通过柱头安检并完成受精，得到种内杂交后代。

论文审稿人一致认为，该研究的工作体量、深度及所评估物种的广泛性，都是非常令人信服的。这一发现揭示了自交不亲和与远缘杂交生殖隔离机制共享同一受体，但使用不同信号分子的分子机制，解开了白菜等十字花科植物生殖进化的一个关键谜题。这一开创性发现，将使该领域以全新视角重新审视这两种生殖隔离机制。

一套切实可行的远缘育种技术体系

他们没有让成果仅仅停留在理论上，而是进一步开发了一套切实可行的远缘杂交技术体系。

论文共同第一作者、博士生崔晓爽向记者介绍了这项技术：首先，筛选自交不亲和性弱的白菜材料作为母本；然后，使用反义寡核苷酸抑制SRK表达，或使用活性氧清除剂瞬时降低柱头防御系统。这套技术系统成功将白菜与欧洲山芥的杂交效率提高了3~6倍，为胚挽救和染色体加倍等后续操作提供了充足材料。

段巧红强调：“我们在传统远缘杂交育种的基础上，选择‘安检系统’本就相对宽松的白菜材料作为母本，用活性氧清除剂暂时降低柱头的‘防御系统’。这一技术体系具有很强的可操作性和可推广性。”

邓秀新认为，该研究不仅为十字花科作物的远缘杂交育种提供了关键理论依据，同时为解决其他物种在种间、属间杂交中面临的生殖障碍提供了借鉴和思路，为作物野生种质资源的高效利用和新品种培育提供了新路径。

万建民指出，该成果总结了十字花科植物生殖隔离的普遍规律，并建立了高效远缘杂交育种技术体系。这些系列成果将大力推动远缘育种进展，是作物遗传育种领域的重大突破。

“我们的最终目标是让育种家能够更高效地进行远缘杂交，利用其他物种的优良基因改良栽培种抗逆特性。”段巧红说，这为中国科协提出的“2025十大前沿科学问题”之一——“如何利用作物野生近缘种提升栽培种抗逆特性”提供了切实可行的解决路径，也为保障粮食安全，农业可持续发展提供科技支撑。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.ady2347