破解遠緣雜交難題，大白菜實現(xiàn)“自由戀愛”

唐代的某年冬季，大雪紛飛，孟郊、盧仝拜訪韓愈。韓愈把白菜切絲慢燉，配上新挖的冬筍。眾人品菘嘗筍，煮酒論詩，便有了“晚菘細切肥牛肚，新筍初嘗嫩馬蹄”的佳話。

如今，作為白菜的一個亞種，大白菜已經(jīng)成為我國北方冬貯數(shù)量最大的蔬菜。大白菜年播種面積約2700萬畝，占全國蔬菜總播種面積的約14.4%。

近年來，人們對大白菜的需求日益多樣化，但由于種內(nèi)基因資源有限，僅僅依靠種內(nèi)雜交已難以滿足市場需求，利用其他物種的優(yōu)異基因資源進行跨物種雜交，又會受到生殖隔離的制約。

由山東農(nóng)業(yè)大學園藝科學與工程學院院長段巧紅領銜的科研團隊，突破了遠緣雜交的生殖隔離壁壘，成功獲得了大白菜的種間、屬間遠緣雜交胚，開辟了遠緣雜交育種的新思路和新途徑，為未來蔬菜育種提供了更多可能性。相關研究成果此前發(fā)表在國際期刊《自然》上，并入選中國農(nóng)業(yè)科學院發(fā)布的《2024中國農(nóng)業(yè)科學重大進展》。

雜交育種可獲得優(yōu)良品種

大白菜是我國栽培面積最大、產(chǎn)量最高的蔬菜之一，在蔬菜市場占據(jù)重要地位。

過去，作為典型的冬儲蔬菜，大白菜的供應期大多局限于冬季。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，我國不僅實現(xiàn)了大白菜的周年化供應，更培育出了富含多種營養(yǎng)元素的改良品種。尤其值得關注的是，隨著新育種技術不斷取得突破，大白菜品種在保持優(yōu)良口感的同時，其抗病蟲害的能力相較傳統(tǒng)品種也大幅提升。

遠緣雜交育種是大白菜等十字花科蔬菜非常重要的育種技術之一。

段巧紅解釋：“遠緣雜交育種是通過將不同種、屬甚至親緣關系更遠的物種進行雜交，將不同物種的優(yōu)良性狀重新組合，創(chuàng)造出新的變異類型或新物種。”

遠緣雜交育種可以有效拓寬大白菜種質(zhì)資源的遺傳范圍。“由于長期在野外生存進化，野生種具備抗病、抗蟲、抗逆等優(yōu)異基因資源。”段巧紅說，“通過遠緣雜交將野生種優(yōu)異的抗性基因?qū)胧卟嗽耘喾N的基因組，有望提高蔬菜的病蟲害抗性，保障蔬菜生產(chǎn)和食品安全。”

事實上，遠緣雜交育種很早就已廣泛應用于作物育種。

段巧紅研究團隊的育種骨干李茹介紹，在20世紀70年代，中國科學院院士李振聲歷經(jīng)二十多年的深入研究，培育了小麥與長穗偃麥草的遠緣雜交種“小偃6號”。“‘小偃6號’是中國小麥育種的重要骨干親本，目前在全國已累計推廣3億多畝，增產(chǎn)小麥逾150億斤。”李茹說。

解決大白菜受精難題

在遠緣雜交育種過程中，遠緣雜交不親和、雜種夭亡或不育、后代瘋狂分離是三種常見的但難以克服的種間隔離現(xiàn)象。

經(jīng)過科研人員的不懈努力，目前我國已經(jīng)實現(xiàn)了大白菜和甘藍兩個親緣關系較近物種之間的雜交。“但親緣關系較遠的雜交目前還難以實現(xiàn)。”段巧紅介紹，以歐洲山芥為例，它是高抗小菜蛾、甘藍夜蛾等害蟲的十字花科植物，存在優(yōu)異的抗蟲基因。但由于親緣關系太遠，至今還沒有實現(xiàn)大白菜和歐洲山芥的遠緣雜交。

為了打破這一困境，段巧紅科研團隊從2017年開始探究大白菜遠緣雜交障礙的形成機制。“我們發(fā)現(xiàn)大白菜遠緣雜交障礙的主要原因是無法成功受精。”段巧紅告訴記者。

那時，科研團隊通過觀察大白菜授粉和受精過程，發(fā)現(xiàn)遠緣花粉落在大白菜柱頭上后，很難水合、萌發(fā)生長，嚴重阻礙了受精過程。“我們檢測到遠緣花粉能迅速引起柱頭活性氧的升高，由此推斷活性氧可能對遠緣花粉有抑制作用。”段巧紅說。

找到病因后，段巧紅帶領團隊對癥下藥。“通過清除柱頭上的活性氧，我們打破了大白菜遠緣雜交生殖隔離，促進了遠緣花粉在大白菜柱頭的生長。”段巧紅說，如此一來，大白菜就可以自由選擇“遠親”進行“婚配”了。

尚有多個技術瓶頸待突破

當前，遠緣雜交技術在以大白菜為代表的十字花科蔬菜育種工作中展現(xiàn)出了巨大的應用潛力。

“這項技術有助于利用其他物種的優(yōu)異基因資源，培育出更加優(yōu)質(zhì)的蔬菜品種。”段巧紅介紹，科研團隊已經(jīng)獲得了大白菜和甘藍、大白菜和芝麻菜、大白菜和蘿卜等遠緣雜交苗，為后續(xù)的大白菜育種提供了豐富的材料基礎。

技術引領，標準隨行。目前，研究團隊將多年的遠緣雜交經(jīng)驗制定成《大白菜遠緣雜交授粉技術規(guī)程》《大白菜遠緣雜交親和性鑒定技術規(guī)程》等3項山東省團體標準，為相關單位推進十字花科蔬菜遠緣育種工作提供了技術支撐。

“但要想大規(guī)模應用遠緣雜交育種技術，我們還有諸多技術瓶頸需要突破。”李茹告訴記者，“以大白菜和歐洲山芥的遠緣雜交為例，雖然我們能夠得到雜交胚胎，但還遠遠不能滿足遠緣育種的要求。”

李茹表示，團隊將繼續(xù)解析遠緣雜交柱頭障礙的分子機理，開發(fā)更高效的遠緣雜交授粉技術，進一步解決親緣關系較遠的雜交組合受精難題。

“成功受精之后，由于遠緣雜交打破了大白菜原有的遺傳系統(tǒng)，我們還需要通過胚胎挽救技術解決雜種夭亡問題。”李茹說。

如何提高遠緣雜交苗的成活率，也是團隊下一步的重點研究方向。

“只要得到1個含有外源優(yōu)良基因的雜交種，我們就能通過種內(nèi)雜交將其轉(zhuǎn)育為其他的大白菜品種，實現(xiàn)大規(guī)模應用。”李茹表示，團隊還在深耕育種技術，力爭盡早實現(xiàn)種源自主可控。

現(xiàn)在，段巧紅團隊最大的愿望是將遠緣育種技術成果廣泛應用于大白菜等十字花科蔬菜育種生產(chǎn)中，實現(xiàn)科研成果向現(xiàn)實生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化。

（本報記者馬愛平對本文亦有貢獻）