Science！段巧红教授团队发现十字花科远缘杂交的“Key”
近日，山东农业大学段巧红教授及马萨诸塞大学Alice Y. Cheung团队发现了一种能被SRK（S-locus receptor kinase）广泛识别的“泛家族型种间花粉信号分子(SIPS)”，揭示了SIPS-SRK 为一种油菜属特有的配体-受体对，它广泛地维持了自不相容物种中的柱头种间屏障。这一成果在“Pan-family pollen signals control an interspecific stigma barrier across Brassicaceae species”一文详细描述。以下由小编带您一探究竟~
一、研究背景
十字花科植物的自不亲和性（Self-incompatibility，SI）是重要的种内障碍，由位于 S 基因座上的一组遗传连锁且高度多态性的基因所控制的种内障碍，这种系统确保排斥自花授粉，促进了异花授粉和遗传多样性。Brassicaceae（十字花科）植物中FERONIA受体激酶（FER）可通过提升柱头活性氧（ROS）水平，排斥SI花粉，而S-座位半胱氨酸富集蛋白（SCR/SP11）与S-座位受体激酶（SRK）之间的相互作用，则能激活FER介导的ROS生成，进一步实现种间花粉的识别与排斥。尽管已有研究提示SI与ISI（自交不亲和性因子）可能共用相似的信号通路，但其具体分子机制尚不清楚。
中英文标题：Pan-family pollen signals control an interspecific stigma barrier across Brassicaceae species（全科花粉信号调控十字花科植物间的种间柱头屏障）
发表期刊：Science ( IF 45.82 )
发表时间 : 2025-11-20
发表单位：山东农业大学
二、研究方法
1、CRISPR -Cas9基因编辑技术构建突变体
2、酵母双杂交文库构建筛选SRK 的潜在相互作用蛋白的编码序列，通过免疫沉淀质谱检测蛋白并检测关键蛋白之间二硫键的稳定性（北京百泰派克提供技术支持）
3、细胞荧光检测
三、研究结果
1、鉴定与SRK蛋白相互作用的种间花粉信号
文章通过酵母双杂交和免疫沉淀-质谱分析，从拟南芥（A. thaliana）花中筛选了与油菜（B. rapa）SRK 相互作用的肽段，鉴定出At1G11765（SPH家族成员）为潜在的ISI，其中SPH1/2/3为三种高表达的SPHs。系统发育树分析表明，AtSIPS1和AtSIPS2的亲缘关系比AtSIPS3更近，且AtSIPS1和AtSIPS2在体外和植物体内均与BrSRK46发生相互作用，并通过微尺度热泳实验证实（图1E）。AtSIPS1和AtSIPS2主要以分泌肽形式在成熟花粉中表达（图1F、G），这与其作为花粉被膜蛋白及参与花粉-柱头识别的功能相一致。
图1 鉴定并验证与SRK 相互作用的种间花粉信号
2、SIPS 引发了 B. rapa 种间不相容反应
为了探究 SIPS 的功能，文章评估了 B. rapa 和 A. thaliana 这两个已分化为不同谱系的物种之间的 ISI 反应。与 A. thaliana WT 和Capsella grandiflora（与A. thaliana 同一谱系内）花粉的强烈阻滞现象相比，在授粉后 10 分钟（MAP），AtSIPS1 和 AtSIPS2 单突变体以及双突变体的花粉在 B. rapa S46 花柱上附着并吸水的量显著增多（图 2A），虽然AtSIPS1/AtSIPS2 突变体的花粉管无法穿透 B. rapa S46 的成熟花柱（图 2B），这表明在远缘相关物种之间存在额外的种间障碍。
接下来文章研究了 SIPS 引发 B. rapa 花柱 ISI 反应的潜在机制。在 B. rapa花粉与A. thaliana WT花粉的接触实验中，通过ROS和FDA染色发现野生型花粉能迅速诱导柱头ROS升高并导致自身活性下降（图 2C）；另一方面，用重组的 AtSIPS1 和 AtSIPS2 处理油菜花柱，通过激活 BrRBOHs 显著提高了柱部活性氧水平，其效果与用野生型拟南芥花粉进行授粉时的情况相似（图 2D）。这些结果证实，作为不同物种花粉中 SIPS 所引发的下游反应，柱部活性氧水平会增加。后续文章证实了 AtSIPS 诱导的 B. rapa 花柱反应中存在 SRK 和 FER 的依赖性（图 2D）。与 BrSCR46 引发 SI 的方式类似，AtSIPS1 促进了 BrSRK46 的二聚化以及 BrSRK46 与 BrFER1 的相互作用（图 2G-H）。总体而言，这些结果表明，SIPS-SRK 构成了一对信号受体，单方面触发了 SI 的 B. rapa 花柱中由 FER 介导的活性氧增加，从而拒绝异种花粉。
图2 SIPS在油菜柱头中触发ISI反应
3、SIPS是一种被 SRK 广泛认可的泛家族花粉信号
文章研究了十字花科家族的代表性物种以及十字花目中亲缘关系密切的家族物种中SIPS 的同源基因和同源蛋白。发现SIPS 的同源基因仅在 31 种十字花科植物中被发现，例如紫花油菜、靛蓝油菜、亚历山大油菜和普通油菜，而在藜科植物和其他十字花科植物中未被发现；对所有主要类群的被子植物全基因组进行比对后，仅发现与 AtSIPS1 和 AtSIPS2 具有最高 43%氨基酸同源性的序列，这表明 SIPS 引发的自交抑制在十字花科植物中起着广泛的抑制作用。来自十字花科以外的物种（如番茄、侧枝花和草莓）的花粉表现得较为中性，在番茄中表达 SIPS 使番茄花粉能够诱导油菜花柱的活性氧产生，同时伴有花粉活力的丧失，这与拟南芥花粉的情况相似（图 3B）。这些结果表明，SIPS 足以触发对油菜花柱上异种花粉的排斥反应。接下来，文章测试了来自其他十字花科植物的 SIPS 同源蛋白是否也具有与 AtSIPS 相似的功能，结果发现来自 O. violaceus、I. indigotica 和 A. lyrata 的重组 SIPS 蛋白均与 BrSRK46 发生了相互作用（图 3C-D），并使油菜花柱中的活性氧水平升高，与 AtSIPS1 相当。相比之下，来自 Cleome violacea 和 S. lycopersicum 中与 AtSIPS1 最相似的序列编码的重组蛋白无法与 BrSRK46 发生相互作用，也无法使油菜花柱中的活性氧水平升高。这证实了 SIPS-SRK 功能是十字花科家族内异种反应抑制机制的保守形式。
图3 SIPS是一种被 SRK 广泛认可的泛家族花粉信号
通过对不同物种的 SIPS 同源蛋白比对分析，发现了两个保守的半胱氨酸残基（图 4A），它们在通过质谱分析检测到的 AtSIPS1 和 AtSIPS2 中形成了分子内二硫键。将这两个半胱氨酸残基突变为丙氨酸会严重削弱 AtSIPS1C49A、C83A（mAtSIPS1）和 AtSIPS2C39A、C73A（mAtSIPS2）与 BrSRK46 的相互作用能力（图 4D），并使其无法诱导 BrSRK46 的二聚化（图 4E）。使用突变肽 mAtSIPS1 和 mAtSIPS2，或者用 Tris（2-羧乙基）膦酸盐处理 AtSIPS1 和 AtSIPS2 以破坏二硫键，会消除它们激活 BrRBOH 活性和在 B. rapastigmas 中诱导 ROS 的能力（图 4F），这表明这种二硫键对于 SIPS 的功能至关重要。
图4 质谱法检测二硫键及二硫键对BrSRK46的相互作用至关重要
4、SRK 序列多态性不影响与SIPS的相互作用
众所周知，SRK 变体的高变区（hv1、hv2 和 hv3）决定了受体与同源的 SCR 配体结合的特异性，从而排斥表达与柱头相同 S 基因型的花粉。因此，文章探究了 SRK 的超变区和保守区是如何与 SIPS 发生相互作用的：从大花棉团藓、红花藜和垂盆草中选取了 SRK 分子进行分析，并发现它们的 SRK 分子与 AtSIPS1 发生了相互作用（图 5C）；不同 S 基因型的 BrSRKs，即 BrSRK46、BrSRK12 和 BrSRK44，也与 AtSIPS1 和 AtSIPS2 存在相互作用（图 5D）；体外数据表明，B. rapa 的 S12、S44 和 S46 种子花柱在接收到 A. thaliana 花粉并用 AtSIPS1 和 AtSIPS2 处理后，其活性氧（ROS）水平都有显著增加（图 5E），这些结果表明，SIPS-SRK 相互作用不受 SRK 序列多态性或其物种来源的影响。此外，也通过裂解式荧光素酶和拉伸捕获实验证明了AtSIPS1 和 AtSIPS2 会相互竞争地结合到 BrSRK46 上（图 6A-B），但 BrSCR46 不会与 SIPS 与 BrSRK46 的结合竞争（图 6C-F）。综合来看，这些结果有力地表明，SRK 的保守区域参与了 SIPS - SRK 之间的相互作用，并且能够广泛排斥不同物种的花粉。
图5 SRK 序列多态性不影响与SIPS的相互作用
图6 裂解式荧光素酶和拉伸捕获实验证明AtSIPS1、AtSIPS2与BrSCR46在结合BrSRK46过程中的竞争关系
5、为油菜属植物建立高效的远缘杂交策略
以上的研究结果表明，十字花科植物的远缘杂交中，柱头屏障是由 SIPS-SRK 介导的识别以及 FER-ROS 介导的对 ISI 花粉在 SI 子房中的排斥所调控的。因此，为最大限度地提高获得杂交植株的可能性，文章在花粉方面和子房方面提出并进行了多种策略的研究。
从花粉方面来看，敲除 AtSIPS 使得拟南芥花粉能够穿透成熟的柱头，在 C. grandiflora（其为近亲）的强 SI 植株的子房中形成许多带有杂交胚的扩大子房（图 2B、5A 和 7A-B）。但是在远缘物种之间的杂交中，即♀B. rapa × ♂A. thaliana 中，AtSIPS1/AtSIPS2 突变体的花粉管既无法穿透强壮的 SI 植株（S46）的成熟柱头，也无法穿透其幼芽柱头（图 2B），但却能成功地长入较弱的 SI 植株（S44）的幼芽柱头中。突变 SIPS 有可能是跨越这一屏障的有效方法，但基因组改造在商业育种中并不被广泛接受。
从雌蕊的角度来看，选择较弱的 SI 系列至关重要，文章使用两个高度差异显著的物种（♀B. rapa×♂B. vulgaris）之间的杂交实验作为模型进行了系统评估。用盐酸水杨酸处理以清除活性氧的 24D4 花柱产生的花粉管和增大的子房也比 14CR 多。在获得杂种胚后，它们可以在体外培养，然后进行染色体加倍以绕过发育障碍并恢复生育能力。这种方法应当适用于其他十字花科植物，这类植物包括许多重要的蔬菜和油料作物，这为通过远缘杂交实现成功育种带来了重要的进展。
图7 建立高效的十字花科植物杂交育种策略
四、研究结论
自然界中的 SI 种类常常受到同域物种的花粉的挑战。它们实施 ISI 并广泛排斥异种花粉的能力，从而防止缺陷性的杂种胚形成。本文发现SIPS - SRK 相互作用招募雌性调节因子 FER，并依赖于 FER 介导的活性氧来排斥异种花粉；在可兼容的授粉过程中，PCP-Bs 的特定结合会解除 FER 介导的柱头活性氧通道的封闭状态，并使可兼容的花粉能够进入雌蕊内部。发现 FER 作为两者（与 PCP-B 的兼容性和与 SIPS-SRK 的不兼容性）的中央信号节点具有重要意义。这种理解为远缘杂交开辟了新的途径。
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