Current Biology | 山东农业大学段巧红团队解析十字花科植物大白菜自交不亲和的机理

超过60% 的被子植物进化出自交不亲和这种遗传机制，抑制自交促进异交，从而避免自交衰退，增加种群的遗传多样性。自交不亲和存在于很多被子植物中，特别是在十字花科植物中最为普遍。十字花科植物自花花粉的识别，依赖于柱头SRK受体与花粉SP11/SCR信号的特异性结合，柱头进而抑制自花花粉的萌发和生长。但是柱头如何抑制自花花粉的机制还不清楚。

2021年5月19日，山东农业大学段巧红教授课题组在Current Biology上发表了题为FERONIA Receptor Kinase-regulated Reactive Oxygen Species Mediate Self-incompatibility in Brassica rapa的研究论文，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。

该研究发现，大白菜柱头在自花授粉后迅速引起活性氧的急剧升高，异交则导致活性氧降低（图1）。用NADPH氧化酶抑制剂DPI处理大白菜柱头，降低柱头活性氧，打破自交不亲和，促进自交结籽，这表明NADPH 氧化酶（Rbohs）调控柱头活性氧的产生，是维持自交不亲和所必需的。

图1. 大白菜柱头的活性氧在自花授粉后升高（左）异花授粉后降低（右）

进一步研究发现，柱头活性氧受到FERONIA受体激酶及其下游Rac/Rop信号通路的调控 （图2）。用反义寡核苷酸抑制其中一个信号分子，就会降低柱头活性氧，打破自交不亲和。这表明，FERONIA-ROP-Rboh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。

图2. FERONIA-RacRop-Rboh信号通路模块调控自交和异交过程中柱头活性氧产生

段巧红团队的这一研究成果，不仅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，而且对十字花科蔬菜作物的杂交育种及种质资源创新具有重要意义。大白菜等十字花科蔬菜作物，可以选育出自交不亲和系，不用人工去雄就能生产杂交种，因此自交不亲和系育种是大白菜等十字花科蔬菜作物常用的行之有效的育种技术。

强自交不亲和系有利于提高杂交种的纯度，但是自交不亲和系亲本繁种困难。段巧红团队根据对自交不亲和调控机理的解析，开发出通过喷施活性氧清除剂克服自交不亲和，提高自交不亲和系亲本繁种效率的育种新技术。目前相关技术已经获批2项国家发明专利，正在进行大田试验，以期应用到包括大白菜、萝卜、甘蓝等十字花科蔬菜作物的育种产业中。

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教授参与了该项研究。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。

论文链接：

https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(21)00607-2