【研究单位】山东农业大学园艺科学与工程学院
【课题来源】国家自然科学基金和国家重点研发计划
【成果说明】
作物驯化在筛选优良农艺性状的同时，也造成了遗传多样性下降，尤其丢失了大量抗病虫、抗逆等抗性基因。远缘杂交，即让栽培种与野生近缘种杂交，是引入这些优异基因、提升栽培种抗逆性的有效途径。但植物进化中形成的种间生殖隔离机制，严重阻碍了物种间的基因交流，使远缘育种效率大打折扣。
生殖隔离的第一道屏障是柱头生殖隔离。以大白菜等十字花科植物为例，雌蕊柱头识别远缘花粉的受体、花粉携带的远缘信号分子，以及远缘花粉被抑制的机制，此前都知之甚少。团队先前发现，白菜等十字花科植物柱头上的SRK受体不仅能识别自花花粉，也能识别远缘花粉，并启动防御机制，升高柱头活性氧，抑制远缘花粉生长。但触发这一警报的“远缘花粉信号”仍不清楚。
为此，团队以白菜柱头SRK受体为“诱饵”，结合酵母双杂交和免疫共沉淀技术，在花粉总蛋白中锁定了一个关键目标：一个花粉特异表达、与SRK互作的小分子蛋白，并将其命名为SIPS。敲除实验证实了SIPS的核心作用：缺失SIPS的拟南芥花粉能“蒙混过关”，成功逃避白菜柱头的防御系统，完成水合、萌发乃至受精。
图1. SIPS-SRK控制的十字花科植物远缘生殖隔离
更引人注目的是其“通用性”。系统进化分析显示，SIPS在十字花科植物中普遍存在，不同物种的SIPS信号与SRK受体均能跨物种互作，升高柱头活性氧，抑制远缘花粉生长。这表明SIPS是一个通用的“警报信号”，保障十字花科内不同物种的远缘花粉都能被柱头广泛识别并被抑制，从而迅速解除其花粉对雌蕊的威胁。在番茄等十字花科之外的物种中没找到SIPS同源基因，其花粉也无法激发白菜柱头的防御反应；然而通过遗传手段将SIPS导入番茄花粉后，原本“沉默”的番茄花粉竟成功触发了白菜柱头的活性氧爆发。这些实验证据表明，SIPS是触发十字花科植物柱头防御反应的充分必要的“警报信号”。
图2. SIPS广泛存在十字花科植物
团队基于本研究和先前研究开发出高效的远缘杂交技术体系，用一套“组合拳”在白菜与欧洲山芥的远缘杂交中取得重要进展。科研人员首先优选自交不亲和性弱的株系作为母本，进而结合反义寡核苷酸抑制柱头SRK表达或使用活性氧清除剂，都能有效降低柱头防御，让远缘花粉顺利通过完成受精，使得杂交胚获得率由原来的每角果1个提升至3—6个。随后可通过大规模远缘杂交得到大量杂交胚，用于胚挽救、染色体加倍等后续操作，最终有望获得含有欧洲山芥优异抗虫基因的白菜种质。该研究为十字花科作物利用近缘野生种进行种质创新和新品种培育提供了理论依据与技术支撑，让远缘杂交育种驶入“快车道”。
图3. 十字花科作物高效远缘杂交技术体系
【用户使用】
基于山东农业大学超算平台，本研究开展了以下三方面工作：一是构建了十字花科植物及被子植物的进化关系，为后续比较分析提供了系统发育框架；二是鉴定了SIPS的同源基因，揭示了该信号分子在演化过程中的保守性与变异特征；三是探究了SIPS信号与SRK受体在被子植物中的分布格局，为理解二者协同演化关系奠定了基础。上述工作涉及大规模序列比对、系统发育树构建及基因家族分析等海量计算任务，山东农业大学超算平台凭借其强大的算力资源与高效的数据处理能力，为这些分析的顺利完成提供了至关重要的支撑，对研究结论的得出起到了不可替代的重大帮助。
【论文】
YY. Cao, XS. C, YQ. Y, QH. D, Pan-family pollen signals control an interspecific stigma barrier across Brassicaceae species. Science. 2026 Jan 22;391(6783):eady2347.