著名学者Science：转基因改变植物授粉方式

　　

生物通报道：十一月六日，在《Science》发表的一项研究中，来自英国伯明翰大学的科学家通过转基因培育出一种植物，会拒绝它自己的花粉或近亲种的花粉。延伸阅读：用转基因番茄工业化生产天然化合物。

自花授粉或“自交”对植物可能是有害的，会造成近亲繁殖和不健康的后代。这一突破性的研究成果，可以更低的成本、更快地培育更强、更有适应性的农作物，是追求安全和充足粮食供应的一种新方法。

该研究小组采用自花授粉植物拟南芥——卷心菜、花椰菜和油菜的近缘种，通过转入来自虞美人（Papaver rhoeas）的两个基因，使其自交不亲和，从而使受体植物能够识别和拒绝自身花粉，同时允许杂交授粉。自花授粉植物到自交不亲和植物的这种转换，一直是植物自交不亲和研究的一个长期目标。

大多数花的基本解剖结构，意味着雄性花粉紧挨着雌性生殖器官产生，从而有自花授粉的风险，而不是接受来自风或昆虫传播的不同花的花粉。当花粉落在开花植物的柱头上时，花粉萌发并发育出一根花粉管，其通过柱头和其他雌性组织生长，然后进入植物的子房以影响受精。如果这涉及到自体花粉，它会导致近交，从而引起不断缩小的基因库和不健康的后代。伯明翰大学研究小组在过去的几年中，在理解“虞美人花避免自花授粉的机制”方面，取得了重大进展。

起主要作用的是两个自交不亲和性（SI）蛋白：一个“受体”PrpS，由柱头产生的花粉和信号蛋白（叫PrsS）组成。植物有其自己的身份，由它们产生的PrpS和PrsS的确切版本指定。这样，花能识别出自己正通过PrpS/PrsS相互作用，与“自体”进行相互作用，这会触发一些化学信号，引起花粉的抑制，涉及一种被称为“程序性细胞死亡”的机制，从而告知不亲和的花粉，要自杀才萌发，并开始延伸它们的花粉管。相反，如果花粉和柱头表达不匹配的SI基因，“自体”识别就不会发生，授粉就是成功的。

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研究小组之前曾将虞美人的花粉PrpS基因转到拟南芥中，后者是自花授粉的。当表达PrpS的花粉粒暴露于匹配的雌性重组PrsS蛋白时，就会发生SI特异性识别，从而导致自交不亲和性反应，具有他们在罂粟中观察到的标志特点。

在这项研究中，研究人员把来自罂粟的雌性PrsS基因转到拟南芥中，他们发现，该基因在拟南芥雌蕊中表达，并拒绝匹配的“自体”花粉。然后，他们表明，共同表达花粉和柱头SI基因的拟南芥植物，表现出完全拒绝自花粉。这首次表明，仅仅这2个罂粟SI基因，就足以在高度分化的自交亲和物种中，产生强大的自交不亲和性。

本文通讯作者、著名植物学家、伯明翰大学生物科学学院的Noni Franklin-Tong教授说：“这是一项重要的成果，因为几十年来，这一直是植物科学家一个难以捉摸的重要目标。我经常被问到，为什么我们选用虞美人，它与作物没有亲缘关系，因为人们一直认为，必须使用作物近缘种的相关基因，才能实现这个目标。现在我们可以说，我们的坚持已经得到了回报。我们的研究结果解答了关于植物信号网络如何演化的问题，因为这项研究表明，通过把这2个基因作为锁和钥匙，我们可以得到另一个信号通路和指定的生理结果。”

这项研究，在“利用自交不亲和系统作为培育杂交植物一个潜在替代手段”方面，是一个重大的进步，杂种优势可以给作物更好的产量，并优于它们的父母本。本文共同作者、伯明翰大学生物科学学院的Chris Franklin教授说：“这代表着‘自交不亲和S决定因素’几十年研究的高潮，希望它们最终可能会被转移到作物中，以更容易地培育杂种F1代。这项研究可能提供一种天然的机制，生产杂交植物。能够控制打开或关闭植物的自花授粉，可能是植物育种的一个重大提高，使我们更容易和更便宜地产生优良的杂交植物和更多的种子。”

（生物通：王英）

注：Noni在伯明翰大学获理学学士和遗传学博士学位，现任该大学植物细胞生物学系教授。Noni目前是国际植物有性生殖研究协会（IASPRR）的秘书长。她的研究兴趣主要是利用虞美人（Papaver rhoeas）自交不亲和现象研究植物有性生殖过程中的细胞识别及信号传递过程。截至目前她领导的研究组已在国际顶尖的杂志上发表多篇研究论文，其中包括Nature 3篇，这些研究也得到许多国际同行的认可，曾被Nature和cell等刊物作为“leading edge”的研究而重点报道。

生物通推荐原文摘要：
The Papaver rhoeas S determinants confer self-incompatibility to Arabidopsis thaliana in planta
ABSTRACT: Self-incompatibility (SI) is a major genetically controlled system used to prevent inbreeding in higher plants. S determinants regulate allele-specific rejection of “self” pollen by the pistil. SI is an important model system for cell-to-cell recognition and signaling and could be potentially useful for first-generation (F1) hybrid breeding. To date, the transfer of S determinants has used the complementation of orthologs to “restore” SI in close relatives. We expressed the Papaver rhoeas S determinants PrsS and PrpS in Arabidopsis thaliana. This enabled pistils to reject pollen expressing cognate PrpS. Moreover, plants coexpressing cognate PrpS and PrsS exhibit robust SI. This demonstrates that PrsS and PrpS are sufficient for a functional synthetic S locus in vivo. This transfer of novel S determinants into a highly divergent species (>140 million years apart) with no orthologs suggests their potential utility in crop production.