山東農(nóng)業(yè)大學(xué)：破解“生殖隔離”為遠緣育種打開“快車道”

中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（記者 魏海政 通訊員 王靜 屈越）11月21日，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)段巧紅教授團隊在國際頂刊《科學(xué)》發(fā)表成果，首次鑒定出十字花科通用花粉信號分子SIPS，闡明雌蕊柱頭識別遠緣花粉、啟動防御的完整機制，并配套建立高效遠緣雜交技術(shù)體系，為利用野生優(yōu)異基因、培育抗逆蔬菜新品種打開“快車道”。

作物馴化在提高產(chǎn)量的同時丟失了大量抗病蟲、耐逆基因。將栽培種與野生近緣種“通婚”是找回基因的最佳途徑，但植物進化出的“生殖隔離”如同天然屏障，讓遠緣雜交舉步維艱。段巧紅團隊自2021年起連續(xù)在《當代生物學(xué)》和《自然》發(fā)文，逐步揭開隔離面紗：發(fā)現(xiàn)柱頭受體SRK可兼管“自交不親和”與“遠緣生殖隔離”；此次研究則抓住“信號端”，以SRK為“誘餌”篩選花粉蛋白，鎖定關(guān)鍵因子SIPS。

實驗證明，SIPS缺失的擬南芥花粉可“騙過”白菜柱頭，順利完成受精；反之，把SIPS轉(zhuǎn)入番茄花粉，也能讓非十字花科植物“拉響警報”，激活柱頭活性氧爆發(fā)，抑制自身花粉。系統(tǒng)發(fā)育分析顯示，SIPS在十字花科內(nèi)普遍存在，堪稱“外來者通用身份證”，確保不同物種的花粉一律被攔截，而種內(nèi)異花則可順利通過“安檢”。

機制厘清后，段巧紅團隊迅速轉(zhuǎn)向育種應(yīng)用。針對歐洲山芥高抗小菜蛾與白菜“遠緣難交”的痛點，他們打出“組合拳”：選用自交不親和性弱的白菜系作母本，再以反義寡核苷酸瞬時抑制SRK表達或噴施活性氧清除劑，降低柱頭防御，使單角果雜交胚數(shù)由1枚增至3—6枚，效率提升5倍以上。后續(xù)經(jīng)胚挽救、染色體加倍，已獲得一批攜帶抗蟲基因的白菜新種質(zhì)。

中國工程院院士萬建民指出：“這一系列成果將大力推動遠緣育種進展，是作物遺傳育種領(lǐng)域的重大突破?！敝袊こ淘涸菏苦囆阈抡J為：“該研究不僅為十字花科作物的遠緣雜交育種提供了關(guān)鍵理論依據(jù)，同時為解決其他物種在種間、屬間雜交中面臨的生殖障礙提供了借鑒和思路，為作物野生種質(zhì)資源的高效利用和新品種培育提供了新路徑。” 

該研究立足國家戰(zhàn)略需求，將基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)化為應(yīng)用技術(shù)。十字花科蔬菜栽培面積占我國蔬菜總面積25%以上，親緣關(guān)系較遠的屬間雜交一直面臨挑戰(zhàn)。該團隊這一新技術(shù)的推廣應(yīng)用，可實現(xiàn)大量抗病蟲、耐鹽堿、耐旱等野生基因快速導(dǎo)入栽培種，顯著縮短育種周期，降低對農(nóng)藥和灌溉的依賴，有力支撐農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型與糧食安全。

SIPS-SRK控制的十字花科遠緣生殖隔離。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)供圖

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)段巧紅教授團隊。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)供圖