破解遠緣雜交難題，自由戀愛(ài)大白菜實(shí)現“自由戀愛(ài)”
——“農業(yè)生物技術(shù)新突破”系列報道之三
白菜，破解古人又稱(chēng)“菘”。遠緣
唐代的雜交某年冬季，大雪紛飛，難題孟郊、大白盧仝拜訪(fǎng)韓愈。菜實(shí)韓愈把白菜切絲慢燉，自由戀愛(ài)配上新挖的破解冬筍。眾人品菘嘗筍，遠緣煮酒論詩(shī)，雜交便有了“晚菘細切肥牛肚，難題新筍初嘗嫩馬蹄”的大白佳話(huà)。
如今，菜實(shí)作為白菜的自由戀愛(ài)一個(gè)亞種，大白菜已經(jīng)成為我國北方冬貯數量最大的蔬菜。大白菜年播種面積約2700萬(wàn)畝，占全國蔬菜總播種面積的約14.4%。
近年來(lái)，人們對大白菜的需求日益多樣化，但由于種內基因資源有限，僅僅依靠種內雜交已難以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，利用其他物種的優(yōu)異基因資源進(jìn)行跨物種雜交，又會(huì )受到生殖隔離的制約。
由山東農業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院院長(cháng)段巧紅領(lǐng)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(kāi)辟了遠緣雜交育種的新思路和新途徑，為未來(lái)蔬菜育種提供了更多可能性。相關(guān)研究成果此前發(fā)表在國際期刊《自然》上，并入選中國農業(yè)科學(xué)院發(fā)布的《2024中國農業(yè)科學(xué)重大進(jìn)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(chǎng)占據重要地位。
過(guò)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(zhù)現代農業(yè)科技的發(fā)展，我國不僅實(shí)現了大白菜的周年化供應，更培育出了富含多種營(yíng)養元素的改良品種。尤其值得關(guān)注的是，隨著(zhù)新育種技術(shù)不斷取得突破，大白菜品種在保持優(yōu)良口感的同時(shí)，其抗病蟲(chóng)害的能力相較傳統品種也大幅提升。
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(shù)之一。
段巧紅解釋?zhuān)骸斑h緣雜交育種是通過(guò)將不同種、屬甚至親緣關(guān)系更遠的物種進(jìn)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(lèi)型或新物種?！?/p>
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?！坝捎陂L(cháng)期在野外生存進(jìn)化，野生種具備抗病、抗蟲(chóng)、抗逆等優(yōu)異基因資源?！倍吻杉t說(shuō)，“通過(guò)遠緣雜交將野生種優(yōu)異的抗性基因導入蔬菜栽培種的基因組，有望提高蔬菜的病蟲(chóng)害抗性，保障蔬菜生產(chǎn)和食品安全?！?/p>
事實(shí)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(xué)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(cháng)穗偃麥草的遠緣雜交種“小偃6號”?！啊≠?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?！崩钊阏f(shuō)。
解決大白菜受精難題
在遠緣雜交育種過(guò)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(jiàn)的但難以克服的種間隔離現象。
經(jīng)過(guò)科研人員的不懈努力，目前我國已經(jīng)實(shí)現了大白菜和甘藍兩個(gè)親緣關(guān)系較近物種之間的雜交?！暗H緣關(guān)系較遠的雜交目前還難以實(shí)現?！倍吻杉t介紹，以歐洲山芥為例，它是高抗小菜蛾、甘藍夜蛾等害蟲(chóng)的十字花科植物，存在優(yōu)異的抗蟲(chóng)基因。但由于親緣關(guān)系太遠，至今還沒(méi)有實(shí)現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(kāi)始探究大白菜遠緣雜交障礙的形成機制?！拔覀儼l(fā)現大白菜遠緣雜交障礙的主要原因是無(wú)法成功受精?！倍吻杉t告訴記者。
那時(shí)，科研團隊通過(guò)觀(guān)察大白菜授粉和受精過(guò)程，發(fā)現遠緣花粉落在大白菜柱頭上后，很難水合、萌發(fā)生長(cháng)，嚴重阻礙了受精過(guò)程?！拔覀儥z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?！倍吻杉t說(shuō)。
找到病因后，段巧紅帶領(lǐng)團隊對癥下藥?！巴ㄟ^(guò)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(jìn)了遠緣花粉在大白菜柱頭的生長(cháng)?！倍吻杉t說(shuō)，如此一來(lái)，大白菜就可以自由選擇“遠親”進(jìn)行“婚配”了。
尚有多個(gè)技術(shù)瓶頸待突破
當前，遠緣雜交技術(shù)在以大白菜為代表的十字花科蔬菜育種工作中展現出了巨大的應用潛力。
“這項技術(shù)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?！倍吻杉t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，為后續的大白菜育種提供了豐富的材料基礎。
技術(shù)引領(lǐng)，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(shù)規程》《大白菜遠緣雜交親和性鑒定技術(shù)規程》等3項山東省團體標準，為相關(guān)單位推進(jìn)十字花科蔬菜遠緣育種工作提供了技術(shù)支撐。
“但要想大規模應用遠緣雜交育種技術(shù)，我們還有諸多技術(shù)瓶頸需要突破?！崩钊愀嬖V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(mǎn)足遠緣育種的要求?！?/p>
李茹表示，團隊將繼續解析遠緣雜交柱頭障礙的分子機理，開(kāi)發(fā)更高效的遠緣雜交授粉技術(shù)，進(jìn)一步解決親緣關(guān)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，我們還需要通過(guò)胚胎挽救技術(shù)解決雜種夭亡問(wèn)題?！崩钊阏f(shuō)。
如何提高遠緣雜交苗的成活率，也是團隊下一步的重點(diǎn)研究方向。
“只要得到1個(gè)含有外源優(yōu)良基因的雜交種，我們就能通過(guò)種內雜交將其轉育為其他的大白菜品種，實(shí)現大規模應用?！崩钊惚硎?，團隊還在深耕育種技術(shù)，力爭盡早實(shí)現種源自主可控。
現在，段巧紅團隊最大的愿望是將遠緣育種技術(shù)成果廣泛應用于大白菜等十字花科蔬菜育種生產(chǎn)中，實(shí)現科研成果向現實(shí)生產(chǎn)力的轉化。
(來(lái)源：科技日報 記者 薛巖 本報記者馬愛(ài)平對本文亦有貢獻)