蜜蜂在花叢中穿梭，就像忙碌的“月老”，在花叢中不經意間牽起無數“紅線”。令人驚奇的是，每一朵花的雌蕊都擁有絕佳的“眼力”，能從混雜的花粉中，一眼認出屬于自己的那位“意中人”，從而牢牢守住物種之間的界限。這背后的奧秘，始終深深吸引著科學家。
蜜蜂在十字花科植物的花朵上傳粉。受訪者供圖
每年春秋時節，山東農業大學園藝科學與工程學院教授段巧紅的實驗田里，各類十字花科植物漸次綻放。
每天清晨陽光灑落，花朵初綻，段巧紅便帶領團隊如蜜蜂般細致地為花朵授粉。這項工作他們一堅持就是近十年——只為揭開十字花科植物遠緣生殖隔離的深層奧秘。
11月21日，他們的研究成果發表在《科學》雜志。這項工作成功鑒定出觸發十字花科植物遠緣生殖隔離的關鍵花粉信號分子SIPS，解析了遠緣花粉與雌蕊柱頭的識別機制，并基于此開發出高效的遠緣育種技術體系，讓十字花科蔬菜遠緣育種駛入“快車道”。
看得見的寶藏，打不破的墻
在千萬年的進化中，被子植物產生了自交不親和機制，即雌蕊的柱頭能特異性識別并抑制自花花粉的萌發和受精，從而促進異花授粉，避免近交衰退。所謂近交衰退是指由于父本和母本的親緣關系過于接近，導致其后代出現生活力下降、適應性降低、繁殖力下降等衰退現象。
段巧紅（左二）和團隊成員在討論課題。受訪者供圖
很多自交不親和植物都依靠蜜蜂等昆蟲傳粉，當蜜蜂身上攜帶的不同植物的花粉落在雌蕊上時，柱頭并非被動接受，它能從不同物種的花粉中，準確識別并接納適合自己的同種花粉，又能識別并抑制其他物種的花粉。實際上，雌蕊柱頭上高達70%的花粉來自遠緣物種。這一神奇的“擇偶”能力，其背后藏著嚴密的“生殖隔離”機制。
種間生殖隔離指不同物種之間無法成功受精或無法產生可育后代的自然現象。中國工程院院士、華中農業大學教授鄧秀新強調，遠緣雜交育種是利用野生近緣種優良性狀、提升栽培種遺傳多樣性的重要途徑，但受到生殖隔離障礙的制約。
中國工程院院士、中國農業科學院作物科學研究所研究員萬建民指出，生殖隔離既是物種形成與維持的關鍵機制，也是作物遠緣雜交育種的主要障礙。
在我國，十字花科蔬菜在蔬菜產業中占據舉足輕重的地位，栽培面積占總面積的25%以上。白菜、甘藍、蘿卜等日常蔬菜都屬于這一科。然而，在長期的人工馴化過程中，作物丟失了大量抗病蟲、抗逆等優良抗性基因。這些基因在野生近緣種中得以完整保存，成為育種家眼中的“寶藏”。
論文共同通訊作者段巧紅告訴《中國科學報》，以歐洲山芥為例，這種十字花科山芥屬野生植物對小菜蛾等害蟲具有極強的抗性，是提高白菜抗蟲性的理想基因供體。但長期以來，育種家嘗試通過遠緣雜交，將其優異抗性基因導入白菜，都因生殖隔離而屢屢失敗。
這成為了段巧紅團隊想要攻克的難點。傳統遠緣雜交育種就像盲人摸象，育種家只能通過大規模測交來篩選可用材料，耗時耗力且效率低下。“打破遠緣物種的生殖隔離后，能更有效地利用其他物種的優異基因改良栽培種。”段巧紅說。
觸發生殖隔離的遠緣花粉“通用標識”
段巧紅團隊從一開始就關注到了十字花科蔬菜的育種困境，并由此凝練出三個亟需解決的科學問題：“雌蕊柱頭上識別遠緣花粉的受體是什么，花粉上攜帶的遠緣信號分子是什么，遠緣花粉是如何被柱頭抑制的”。團隊圍繞這三個關鍵科學問題展開對十字花科植物種間生殖隔離機制的系統研究。
他們于2023年在《自然》發表論文，首次揭示了柱頭受體SRK不僅識別自花花粉，還用于識別遠緣花粉，并啟動柱頭活性氧這一防御系統，抑制遠緣花粉生長。這一發現解開了兩個關鍵問題，并將自交不親和與遠緣雜交生殖隔離聯系起來，為后續研究奠定了基礎。
“我們發現SRK受體同時參與兩種生殖隔離時，就像在迷宮中找到了一條新路徑。”段巧紅回憶道，“《自然》那篇論文雖然找到了識別遠緣花粉的受體，但花粉上攜帶的遠緣信號分子是什么還不知道”。
團隊決定以SRK受體為“誘餌”，采用“雙管齊下”的策略，同時使用酵母雙雜交和免疫共沉淀技術，在花粉總蛋白中尋找互作蛋白。這兩種方法分別篩選出45個和800多個候選蛋白，令人驚喜的是，它們的交集只有一個——那就是在花粉中特異表達的小分子蛋白SIPS。
論文共同第一作者、山東農業大學副教授曹蕓運透露：“這項工作初期最困難的環節是實驗材料的收集。我們需要大量當天開放的花，我帶領著四五個學生花了2個多月才收集到足夠的花用于上述互作蛋白的鑒定工作。現在回頭來看，我們真的非常幸運地找到了目標蛋白”。
論文共同第一作者、山東農業大學副教授楊印慶發現，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種中沒有找到同源基因。敲除SIPS基因后，擬南芥突變體的花粉成功“騙過”了白菜柱頭的防御系統，順利完成受精。相反，在番茄花粉中異源表達SIPS后，原本被“無視”的番茄花粉在白菜柱頭上竟然觸發了強烈的防御反應。
段巧紅興奮地描述這一發現：“SRK就像柱頭的‘安檢系統’，而SIPS就像是遠緣花粉的‘通用標識’”。只要檢測到SIPS信號，柱頭就會立即拉響警報，通過升高活性氧來抑制花粉生長。
她強調，這一信號通路在十字花科植物中高度保守，不同物種的SIPS與SRK都能跨物種互作，解釋了十字花科不同物種間維持生殖隔離的普遍規律。而在自交不親和過程中，自花花粉因其攜帶的SCR“專用標識”，而被SRK特異性的識別，并被柱頭精準抑制。只有種內異花花粉，可以順利通過柱頭安檢并完成受精，得到種內雜交后代。
論文審稿人一致認為，該研究的工作體量、深度及所評估物種的廣泛性，都是非常令人信服的。這一發現揭示了自交不親和與遠緣雜交生殖隔離機制共享同一受體，但使用不同信號分子的分子機制，解開了白菜等十字花科植物生殖進化的一個關鍵謎題。這一開創性發現，將使該領域以全新視角重新審視這兩種生殖隔離機制。
一套切實可行的遠緣育種技術體系
他們沒有讓成果僅僅停留在理論上，而是進一步開發了一套切實可行的遠緣雜交技術體系。
論文共同第一作者、博士生崔曉爽向記者介紹了這項技術：首先，篩選自交不親和性弱的白菜材料作為母本；然后，使用反義寡核苷酸抑制SRK表達，或使用活性氧清除劑瞬時降低柱頭防御系統。這套技術系統成功將白菜與歐洲山芥的雜交效率提高了3~6倍，為胚挽救和染色體加倍等后續操作提供了充足材料。
段巧紅強調：“我們在傳統遠緣雜交育種的基礎上，選擇‘安檢系統’本就相對寬松的白菜材料作為母本，用活性氧清除劑暫時降低柱頭的‘防御系統’。這一技術體系具有很強的可操作性和可推廣性。”
鄧秀新認為，該研究不僅為十字花科作物的遠緣雜交育種提供了關鍵理論依據，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，為作物野生種質資源的高效利用和新品種培育提供了新路徑。
萬建民指出，該成果總結了十字花科植物生殖隔離的普遍規律，并建立了高效遠緣雜交育種技術體系。這些系列成果將大力推動遠緣育種進展，是作物遺傳育種領域的重大突破。
“我們的最終目標是讓育種家能夠更高效地進行遠緣雜交，利用其他物種的優良基因改良栽培種抗逆特性。”段巧紅說，這為中國科協提出的“2025十大前沿科學問題”之一——“如何利用作物野生近緣種提升栽培種抗逆特性”提供了切實可行的解決路徑，也為保障糧食安全，農業可持續發展提供科技支撐。”
相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.ady2347
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