科學“紅娘”來牽線助力柑橘搭配

柑橘由自交不親和向自交親和進化模式圖 柴利軍供圖

　　為什么有些柚子不人工授粉就無法結果？為什么大部分柑橘可以不授粉也能正常結果？為什么琯溪蜜柚沒有籽，而沙田柚卻有那么多籽？……到底是什么在控制這些有趣的性狀，科學家一直在探索。

　　其中的關鍵“角色”，被國內科研團隊挖到了。華中農業大學園藝植物生物學教育部重點實驗室教授、中國工程院院士鄧秀新領銜的柑橘團隊，不僅首次找到控制柑橘自交不親和性狀關鍵雌蕊決定因子S-RNase蛋白，還發現柑橘由自交不親和向自交親和性轉變的進化機制，填補了蕓香科柑橘自交不親和機制研究領域的空白。

　　相關研究成果近日在線發表于《自然—植物》，為蕓香科柑橘自交不親和機制研究打開了一扇大門。

　　自交不親和的雙面性

　　自然界被子植物中的兩性花，即一朵花中既有雌蕊又有雄蕊，存在一種現象：雌雄蕊雖然正常可育，但自交授粉后花粉管會在花柱中上部被抑制生長，最后無法正常受精產生后代，這種“反常”現象被稱作為自交不親和。

　　從達爾文的研究開始，無數進化生物學家都在致力于自交不親和性狀的研究。實際上，自交不親和是開花植物中最重要的生殖性狀之一。為什么會有這樣的特性存在呢？

　　“這個性狀對植物在自然界中生存是絕對有好處的。如果一個物種可以自交授粉，它的后代基因型很容易純合，如果老是發生自交，后代就會逐步衰退，隨著環境變化，很可能被淘汰掉，甚至滅種。植物是很聰明的，它意識到自己不能放任自交，要與外面的基因‘結親’，發揮雜種優勢，有了遺傳多樣性，就可以長長久久地生存下去。”論文通訊作者、華中農業大學園藝林學學院副教授柴利軍在接受《中國科學報》采訪時介紹。

　　這個“保護傘”，是顯花植物的一種廣泛存在的生殖隔離機制，對自然界是好事，是植物進化的需要。但是對于產業來說，反而成為劣勢。

　　“在植物分類上，柑橘屬于蕓香科，是世界第一大水果，在國民經濟中具有舉足輕重的地位。柑橘柚類多數為自交不親和品種，部分柚品種同時缺乏單性結實能力，這類品種在實際生產中往往需要栽植適當的授粉樹或人工輔助授粉才可以保證高坐果率。”論文第一作者、華中農業大學園藝林學學院博士梁梅在接受《中國科學報》采訪時說。

　　“以廣西沙田柚為例，具有典型的自交不親和特性，自交座果率僅0.3%，因此在生產上必須通過配置酸柚授粉樹或進行人工授粉才能提高座果率，非常費時費力，人工成本偏高。”課題組成員、華中農業大學園藝林學學院在讀博士生曹宗洪告訴《中國科學報》，這成為制約產業可持續發展的一個重要問題。

　　那么，控制柑橘自交不親和現象的決定因子是什么？是否所有柚類品種都具有自交不親和性狀？是否其他柑橘類型也存在這個現象？一系列問題亟待解決。

　　找到關鍵基因，填補領域空白

　　科學家在十字花科、茄科、薔薇科、玄參科及罌粟科等物種上，已經突破了植物自交不親和機制的研究。但是，關于蕓香科柑橘屬植物自交不親和分子機制一直是一個空白。

　　探究其原因，主要是由于常規栽培柑橘有5~8年的生長童期，俗話說“桃三李四柑八年”，其機制研究比其他草本植物或者短童期的木本植物更加困難。從2006年開始，柑橘團隊便啟動了柑橘自交不親和機制研究。考慮到已有其它植物的研究經驗，課題組想借鑒相同方法去“克隆”同源基因，結果卻失敗了。

　　再次“揚帆起航”，課題組選擇了一個新的角度，那就是建立遺傳群體。2013年，鄧秀新團隊繪制出甜橙全基因組序列圖譜，開啟了柑橘的基因組時代，為國內外同行研究蕓香科柑橘的特殊生物學性狀、功能基因組提供重要平臺。借此，課題組鎖定了一個關鍵基因，也就是控制柑橘自交不親和的“鑰匙”。

　　“我們發掘鑒定出控制柑橘自交不親和性狀關鍵雌蕊決定因子S-RNase蛋白，這是首次解析蕓香科柑橘屬的這個關鍵基因，填補了該領域的空白。”柴利軍介紹。這個蛋白很特別，編碼該蛋白的基因具有花柱特異性表達、單一位點復等位基因和能夠特異性抑制自體花粉管生長這三個典型特征。

　　一個特別有意思的現象引起了科研人員的注意，柚類大部分具有自交不親和性狀，而寬皮柑橘及其雜交種則普遍存在自交親和的特性，柑橘產區里栽培的種類也大都是自交親和的。到底是什么原因讓現在的大部分柑橘變成自交親和？

　　“這是由一個突變的花柱基因所導致。”梁梅說，在檢測自交親和寬皮柑橘材料時，發現它的S-RNase基因（命名為Sm-RNase）編碼區第442位有一個腺嘌呤缺失，從而導致移碼突變和提前終止，讓Sm-RNase蛋白失去功能。

　　之后，課題組通過擴大樣本檢測量，最終確定凡是含有突變的Sm-RNase都具有自交親和性狀。

　　“在這個基礎上，我們開發出基于Sm-RNase的分子標記。由于木本植物開花結果需要很多年，而通過這樣的手段，我們可以在苗期就檢測出是否含有這個突變位點，為早期開展分子標記輔助選擇柑橘自交親和性狀資源提供了幫助。”梁梅表示。

　　華中農業大學擁有豐富的柑橘種質資源優勢，課題組利用原始、野生和栽培柑橘資源，構建出柑橘由自交不親和性向自交親和性轉變的進化模式圖。并且，他們還推測出突變的Sm-RNase基因早期發生在寬皮柑橘中，隨著柑橘種間相互雜交，這個突變基因便融入到其他柑橘品種中，并在這些柑橘雜交種中“常駐”，最終形成現有栽培柑橘多數表現為自交親和特性的局面。

　　從育種出發滿足生產需要

　　如果說之前的研究是大海撈針，那么，這把關鍵的“鑰匙”拿到手后，一切研究都有了目標和靶向，也變得順手起來。

　　以柚類為主要研究對象，課題組鑒定到9個高度多態性的S-RNase等位基因，利用收集到的394份柚類自然群體，通過檢測，共獲得77%資源的S基因型。“獲取相關S基因型信息，我們就成為了‘紅娘’，負責牽線配對，到底合不合適，能不能做雜交，我們都一清二楚，這可為柚類生產或開展常規雜交育種選配合適授粉親本提供重要的理論指導。”柴利軍說。

　　“實際生產上非常需要自交親和性狀品種，可以有效降低成本，但是自交親和品種結果后會產生種子，而消費者大多喜歡無籽水果。”曹宗洪以琯溪蜜柚為例，琯溪蜜柚除了具有自交不親和性狀外還兼具有單性結實的本領，在沒有授粉的情況下可以生成無籽果實，HB柚、晚白柚和水晶柚同樣具有此優點。

　　“把自交不親和與單性結實這兩個性狀相結合，是最理想的狀態。可以在生產上滿足實際需求，對于果實的品質上，真正實現不需要人工授粉就可以產生無籽的果實，有助于促進柑橘產業的發展。”柴利軍表示。