柑橘如何配对？科学“红娘”来牵线

柑橘从自交不亲和到自交亲和的进化模式

为什么有些葡萄柚没有人工授粉就不能结果呢？为什么大多数橙子不用授粉就能产生正常结果？为什么琯溪蜜柚是无籽的，而沙田柚有这么多种子？......科学家们一直在探索是什么控制了这些有趣的特征。

关键的“角色”是由国内科研团队挖掘出来的。华中农业大学园艺植物生物学重点实验室教授、中国工程院院士邓秀新带领的柑橘团队，不仅首次发现了控制柑橘自交不亲和性的关键雌蕊决定簇S-RNase蛋白，还发现了柑橘从自交不亲和性到自交亲和性的进化机制，填补了芸香科柑橘自交不亲和性机理研究领域的空白。

相关研究成果最近发表在《自然-植物》网上，为芸香科柑橘自交不亲和机理的研究打开了一扇门。

自交不亲和的两面性

自然界被子植物中的两性花，即一朵花既有雌蕊又有雄蕊，有一种现象:虽然雌蕊和雄蕊通常是可育的，但花粉管在自花授粉后会被抑制在花柱的中部和上部生长，最终不能正常受精产生后代。这种“不正常”的现象被称为自交不亲和。

自从达尔文的研究以来，许多进化生物学家一直致力于自交不亲和的研究。事实上，自交不亲和是开花植物最重要的繁殖特征之一。为什么会有这样的特点？

“这种特性绝对有利于植物在大自然中生存。如果一个物种能够自花授粉，它的后代基因型很容易是纯合的。如果自花授粉频繁发生，后代将逐渐衰退。随着环境的变化，它有可能被消灭甚至杀死。这种植物非常聪明。它意识到自己不能自我放纵。它必须与外界基因“结合”，充分发挥其杂种优势。有了遗传多样性，它可以存活很长时间。”《沟通》的作者、华中农业大学园艺与林业学院副教授柴立军在接受《中国科学日报》采访时被介绍。

这种“伞”是开花植物普遍存在的生殖隔离机制，对自然有益，是植物进化的需要。但对该行业来说，这已经成为一个劣势。

“在植物分类中，柑橘属于芸香科，是世界上最大的水果，在国民经济中具有举足轻重的地位。大多数柚类品种是自交不亲和品种，同时一些柚类品种缺乏单性结实能力。在实际生产中，这些品种往往需要种植适当的授粉树或人工授粉，以确保高坐果率。”论文第一作者、华中农业大学园艺与林业学院博士梁梅在接受《中国科学日报》采访时表示。

“以广西沙田柚为例，它具有典型的自交不亲和特征，自花授粉坐果率仅为0.3%。因此，只能通过配置酸柚授粉树或人工授粉来提高坐果率，非常费时费力，而且人工成本较高。”该研究小组成员、华中农业大学园艺与林业学院博士生曹宗红告诉《中国科学报》，这已成为制约该行业可持续发展的一个重要问题。

那么，控制柑橘自交不亲和性的决定因素是什么？所有柚子品种都是自交不亲和的吗？这种现象是否也存在于其他类型的柑橘中？一系列问题亟待解决。

找到关键基因并填补该领域的空白

科学家们已经突破了十字花科、茄科、蔷薇科、玄参科和罂粟科植物自交不亲和机理的研究。然而，芸香科柑桔属植物自交不亲和性的分子机制一直是一个空白。

究其原因，主要是因为柑橘的常规栽培有5-8年的生长期。俗话说“桃、李、四橙八年”，其机理研究比其他草本植物或生长期短的木本植物更困难。自2006年以来，柑橘团队开始研究柑橘自交不亲和性的机理。考虑到其他植物的研究经验，研究小组试图用同样的方法“克隆”同源基因，但失败了。

研究小组再次“起航”，选择了一个新的角度，即建立重组自交系。2013年，邓秀新团队绘制了甜橙的全基因组序列，开启了柑橘基因组时代，为国内外同行研究芸香科柑橘的特殊生物学特性和功能基因组提供了重要平台。这样，研究小组锁定了一个关键基因，这是控制柑橘自交不亲和性的“关键”。

“我们发现并鉴定了控制柑橘自交不亲和性的关键雌蕊决定簇S-RNase蛋白。这是首次分析芸香科柑橘的这一关键基因，填补了这一领域的空白。”柴丽君介绍。这种蛋白质非常特殊。编码这种蛋白的基因有三个典型特征:花柱特异性表达、单位点多等位基因和特异性抑制自体花粉管生长的能力。

一个特别有趣的现象引起了研究人员的注意。大多数柚是自交不亲和的，而宽皮柑橘及其杂种通常是自交不亲和的，在柑橘产区种植的大多数品种是自交不亲和的。为什么大多数柑橘树现在变得自我兼容了？

"这是由突变型基因引起的."梁梅说，在检查自交亲和的宽皮柑橘材料时，发现在其S-核糖核酸酶基因(命名为Sm-核糖核酸酶)的编码区的442位存在腺嘌呤缺失，这导致编码移位突变和过早终止，从而使Sm-核糖核酸酶蛋白的功能丧失。

之后，研究小组通过扩大测试样本的数量，最终证实了所有含Sm-RNase的突变都具有自我相容性。

“在此基础上，我们开发了基于Sm-核糖核酸酶的分子标记。由于木本植物开花结果需要多年时间，因此我们可以通过这种方法在苗期检测出是否存在这种突变位点，这为柑橘自交亲和资源分子标记辅助选择的早期发展提供了帮助。”梁梅说道。

华中农业大学拥有丰富的柑橘种质资源优势。该研究小组利用原始的、野生的和栽培的柑橘资源，构建了柑橘从自交不亲和到自交亲和的进化模型图。此外，他们还推测突变的Sm-RNase基因出现在早期的宽皮柑橘中。当柑橘品种相互杂交时，突变基因被整合到其他柑橘品种中，并“驻留”在这些柑橘杂种中，最终形成一种情况，即大多数现有栽培的柑橘表现出自我相容性特征。

通过育种满足生产需求

如果以前的研究是大海捞针，那么一旦掌握了这个关键的“钥匙”，所有的研究都会有目标和目的，并且会变得更加方便。

以柚为主要研究对象，研究组鉴定出9个高度多态性的S-RNase等位基因。利用收集的394个柚自然群体，通过检测获得了77%的资源S基因型。“通过获取相关的S基因型信息，我们成为‘媒人’，负责配对和配对。我们都清楚地知道它是否合适，是否可以杂交。这为柚类生产或常规杂交育种选择合适的授粉亲本提供了重要的理论指导柴丽君说道。

实际生产中非常需要自交亲和品种，这可以有效地降低成本，但种子要在自交亲和品种结出果实后才能生产，消费者大多喜欢无籽水果曹宗洪以琯溪蜜柚为例。琯溪蜜柚不仅具有自交不亲和性，而且具有单性结实能力。它不用授粉就能结出无籽果实。HB柚、晚白柚和水晶柚也有这种优势。

“将自交不亲和与单性结实相结合是最理想的状态。它能满足生产的实际需求。就果实品质而言，不需要人工授粉就能真正生产出无籽果实，有助于促进柑橘产业的发展。”柴丽君说道。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41477-020-0597-3