北京时间5月19日，国际著名学术期刊《当代生物学》（Current Biology）在线发表山东农业大学园艺学院段巧红课题组最新成果，团队以十字花科大白菜为研究对象，从自花花粉与异花花粉引起柱头不同的生理变化入手，发现自花授粉特异性升高柱头活性氧，而异花授粉导致柱头活性氧的降低，且证实了活性氧是维持大白菜自交不亲和的必需因素，找到了植物抑制自花花粉以防止“近亲婚配”的分子机制。
柱头活性氧在自花授粉后升高，异花授粉后降低
“近亲婚配”引起隐性有害基因的纯合，导致后代生活力的衰退。高等植物在长期进化中，形成了“自交不亲和”这种有利于异花授粉，从而保持种群内个体高度杂合性的一种生殖机制，其中以十字花科植物最为普遍。科研人员利用这种特性，选育遗传上稳定的自交不亲和系，从而不用去雄就能生产杂交种子。但是长期以来，十字花科植物自交不亲和过程中，柱头如何抑制自花花粉的分子机制，一直是悬而未决的科学问题。
FRONIA-ROP-RBOH介导的柱头活性氧积累
调控大白菜自交不亲和的机理
段巧红团队首次利用反义寡核苷酸处理大白菜柱头，特异性抑制相关基因的表达，以分析该基因在自交不亲和中的作用。研究发现，柱头活性氧是由NADPH氧化酶这个基因家族的活性氧合成酶（呼吸爆发酶，Rbohs）合成的，且活性氧在自花授粉后1分钟之内就显著升高，说明其活性氧合成酶的酶活性受到自花花粉的迅速激活。课题组进而发现，活性氧合成酶受到上游调控因子Rac/ROP小G蛋白及细胞表面受体激酶FERONIA的调控。抑制该信号通路则阻止自花授粉引起的柱头活性氧升高,使柱头不再抑制自花花粉的萌发和生长。这表明，FERONIA-ROP-Rboh这个信号通路模块在调控大白菜自交不亲和过程中发挥着不可或缺的重要作用。研究同时表明，柱头活性氧对异花花粉也有一定的抑制作用，这也解释了为什么柱头活性氧在异花授粉后迅速降低的原因。
植物有性生殖研究专家、北京师范大学任海云教授认为，段巧红团队明确地揭示了柱头活性氧对十字花科植物大白菜自交不亲和的正调控作用，及自花花粉通过FERONIA这个受体激酶信号通路，激活柱头乳突细胞产生活性氧，从而抑制自花花粉的萌发与生长。该研究成果在理论上为十字花科植物自交不亲和机理研究提供了新的研究方向。
段巧红教授在实验室指导学生
据了解，根据活性氧在十字花科植物自交不亲和中的正调控作用，段巧红团队已经开发出新的繁种技术，即通过喷施活性氧清除剂，降低柱头活性氧含量，打破自交不亲和，促进自交结籽。目前已经获得2项国家发明专利，正在进行大田实验以应用到育种实践中。据多年从事大白菜育种工作，国家大宗蔬菜产业技术体系大白菜遗传改良岗位科学家、北京市农林科学院的张凤兰研究员介绍，段巧红团队的这项研究成果及相关自交不亲和系繁殖技术，有望显著提高自交不亲和系亲本的扩繁效率，对十字花科蔬菜作物杂交育种及种质资源创新具有重要意义。
段巧红教授长期从事植物有性生殖的机理研究及应用，相关成果发表在Nature、Nature Communications、PNAS、Current Biology等知名科技期刊。
段巧红教授与黄家保副教授
该研究中，山东农业大学为论文第一完成单位，段巧红教授和河南农科院原玉香研究员为共同通讯作者，黄家保副教授为共同第一作者兼共同通讯作者。团队成员博士生张丽丽、杨琳，硕士生苏士齐和河南农科院副研究员魏小春为共同第一作者。山东农大张宪省教授以及美国马萨诸塞大学阿默斯特分校Alice Y. Cheung教授、Hen-Ming Wu教授参与该项研究。该研究得到了山东农业大学高层次人才启动经费和山东省自然科学基金重点项目的资助。
查看论文请点击“阅读原文”
来源：中国科学报 山东农大报
作物生物学国家重点实验室
作者：李晨 王静
视频作者：薛瑞
审核：张钦龙 陈姣 毛惠文
登高必自
-山东农大新媒体中心出品-
原创文章转载请联系后台
微信号：sdauxcb
新浪微博：@山东农业大学
投稿信箱：sdaunewmedia@163.com