科技日報記者 王延斌 通訊員 王靜

用牧草與小麥雜交，可培育出抗病性強的小麥新品種，用竹子和水稻雜交，可培育出品質優良的水稻新品種……將看似“風馬牛不相及”的兩個物種撮合，在育種界被稱為“遠緣雜交”，可選育出最優秀的新物種。問題在于不同物種的兩個生物，中間存在著生殖隔離，卡住了遠緣物種中優異基因資源開發利用的脖子，如何破解？

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1月26日，國際學術期刊《自然》刊發了山東農業大學段巧紅教授團隊的成果，研究人員利用打破遠緣雜交生殖隔離的育種技術，成功獲得了大白菜的種間、屬間遠緣雜交胚，開辟了遠緣雜交育種的新思路和新途徑。

中國工程院院士鄒學校教授評價認為，上述研究系統解析了遠緣雜交生殖隔離的形成機理，開發了打破生殖隔離的遠緣育種技術，兼具理論創新性與育種應用價值，是植物生殖生物學與雜交育種領域的標志性成果。中國熱帶農業科學院黃三文研究員表示，上述研究通過新技術將遠緣物種的優異基因資源導入栽培種，拓寬種質遺傳范圍，將極大地促進十字花科遠緣物種中優異基因資源的開發利用。

圖為山東農業大學段巧紅教授團隊。王靜供圖

長期懸而未決的難題

屬于十字花科植物的大白菜被譽為北方人的“冬菜之王”。自交不親和育種以及遠緣雜交育種是十字花科蔬菜重要的育種技術。

據了解，遠緣雜交是不同種、屬或親緣關系更遠的物種之間的雜交，其目的是取長補短，選育最優秀的后代。段巧紅介紹，傳統遠緣雜交育種主要通過廣泛測交來選擇雜交親本，但這種方式費工、費力并且雜交效率極低甚至為零。由于生殖隔離阻止遠緣受精，很多時候無法獲得遠緣雜交胚，后續再多的胚胎挽救工作也無濟于事。因而要解決自交不親和育種及遠緣雜交育種領域的“卡脖子”難題，關鍵前提是對其調控機制的系統解析。

十字花科植物大多具有自交不親和性，是典型的異花授粉作物，育種上通常用蜜蜂授粉生產F1代雜交種，而在自然界中蜜蜂可能攜帶同種自花花粉、同種異花花粉、遠緣花粉等。

雌蕊的柱頭是阻止花粉進入的第一道屏障。一方面，為了利用雜種優勢，柱頭如何通過自交不親和抑制同種自花花粉而促進異花花粉的生長？另一方面，為了保持物種遺傳穩定性，而且由于“遠緣雜交單向不親和”這種很常見但令人不解的現象，自交不親和植物的柱頭如何抑制遠緣花粉生長？自交親和植物的柱頭雖然允許遠緣花粉生長，是否通過某種“同種花粉優先”的機制而避免與其他物種混雜？“這些都是長期懸而未決的難題。”段巧紅說。

圖為山東農業大學段巧紅教授團隊。王靜供圖

打破遠緣雜交育種障礙

如何突破上述困境？

相關專家認為，十字花科植物的遠緣雜交生殖隔離與自交不親和，都表現為柱頭對花粉的抑制。該團隊以遠緣雜交單向不親和現象為出發點，在前期構建的種內自花花粉，激活大白菜柱頭產生活性氧，來抑制自花花粉的理論基礎上，開展了該項研究。

大白菜自交不親和反應是柱頭通過SRK受體識別進而抑制自花花粉生長的。該團隊發現，甘藍、歐洲山芥等遠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，升高柱頭活性氧而抑制遠緣花粉生長。而自交親和植物的柱頭缺乏有功能的SRK受體，遠緣花粉雖然可以穿過柱頭，但表現出“同種花粉優先”現象，這主要是由于種內花粉比遠緣花粉更快更有效地降低柱頭活性氧對花粉的抑制作用，進而維持了生殖隔離。

“令人振奮的是，我們研發的清除柱頭活性氧以打破十字花科蔬菜遠緣雜交障礙的育種技術，成功獲得了大白菜的種間、屬間雜交胚，為后續創制突破性新種質奠定了堅實基礎。”這一發現讓段巧紅非常振奮。

種業正邁入現代化新階段，充分發掘利用優異種質與基因資源是種業創新的關鍵。對十字花科植物來說，自交不親和育種及遠緣雜交育種是其重要的育種技術。

段巧紅說：“由于我們過去對其調控機制認知不足，無法在育種技術上取得突破，在很大程度上限制了雜交親本的選配，導致很多有意義的育種項目被迫停滯。”

如今，該發現帶來的育種新技術，包括打破自交不親和的育種技術及打破遠緣雜交生殖隔離的育種技術，成為十字花科植物育種的共性關鍵核心技術。

據了解，該項育種技術目前已經應用于十字花科植物育種。