著名学者Science：转基因改变植物授粉方式

　　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。

　　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。

　　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。”