近日，山東農業大學段巧紅教授及馬薩諸塞大學Alice Y. Cheung團隊發現了一種能被SRK（S-locus receptor kinase）廣泛識別的“泛家族型種間花粉信號分子(SIPS)”，揭示了SIPS-SRK 為一種油菜屬特有的配體-受體對，它廣泛地維持了自不相容物種中的柱頭種間屏障。這一成果在“Pan-family pollen signals control an interspecific stigma barrier across Brassicaceae species”一文詳細描述。以下由小編帶您一探究竟~
一、研究背景
十字花科植物的自不親和性（Self-incompatibility，SI）是重要的種內障礙，由位于 S 基因座上的一組遺傳連鎖且高度多態性的基因所控制的種內障礙，這種系統確保排斥自花授粉，促進了異花授粉和遺傳多樣性。Brassicaceae（十字花科）植物中FERONIA受體激酶（FER）可通過提升柱頭活性氧（ROS）水平，排斥SI花粉，而S-座位半胱氨酸富集蛋白（SCR/SP11）與S-座位受體激酶（SRK）之間的相互作用，則能激活FER介導的ROS生成，進一步實現種間花粉的識別與排斥。盡管已有研究提示SI與ISI（自交不親和性因子）可能共用相似的信號通路，但其具體分子機制尚不清楚。
中英文標題：Pan-family pollen signals control an interspecific stigma barrier across Brassicaceae species（全科花粉信號調控十字花科植物間的種間柱頭屏障）
發表期刊：Science ( IF 45.82 )
發表時間 : 2025-11-20
發表單位：山東農業大學
二、研究方法
1、CRISPR -Cas9基因編輯技術構建突變體
2、酵母雙雜交文庫構建篩選SRK 的潛在相互作用蛋白的編碼序列，通過免疫沉淀質譜檢測蛋白并檢測關鍵蛋白之間二硫鍵的穩定性（北京百泰派克提供技術支持）
3、細胞熒光檢測
三、研究結果
1、鑒定與SRK蛋白相互作用的種間花粉信號
文章通過酵母雙雜交和免疫沉淀-質譜分析，從擬南芥（A. thaliana）花中篩選了與油菜（B. rapa）SRK 相互作用的肽段，鑒定出At1G11765（SPH家族成員）為潛在的ISI，其中SPH1/2/3為三種高表達的SPHs。系統發育樹分析表明，AtSIPS1和AtSIPS2的親緣關系比AtSIPS3更近，且AtSIPS1和AtSIPS2在體外和植物體內均與BrSRK46發生相互作用，并通過微尺度熱泳實驗證實（圖1E）。AtSIPS1和AtSIPS2主要以分泌肽形式在成熟花粉中表達（圖1F、G），這與其作為花粉被膜蛋白及參與花粉-柱頭識別的功能相一致。
圖1 鑒定并驗證與SRK 相互作用的種間花粉信號
2、SIPS 引發了 B. rapa 種間不相容反應
為了探究 SIPS 的功能，文章評估了 B. rapa 和 A. thaliana 這兩個已分化為不同譜系的物種之間的 ISI 反應。與 A. thaliana WT 和Capsella grandiflora（與A. thaliana 同一譜系內）花粉的強烈阻滯現象相比，在授粉后 10 分鐘（MAP），AtSIPS1 和 AtSIPS2 單突變體以及雙突變體的花粉在 B. rapa S46 花柱上附著并吸水的量顯著增多（圖 2A），雖然AtSIPS1/AtSIPS2 突變體的花粉管無法穿透 B. rapa S46 的成熟花柱（圖 2B），這表明在遠緣相關物種之間存在額外的種間障礙。
接下來文章研究了 SIPS 引發 B. rapa 花柱 ISI 反應的潛在機制。在 B. rapa花粉與A. thaliana WT花粉的接觸實驗中，通過ROS和FDA染色發現野生型花粉能迅速誘導柱頭ROS升高并導致自身活性下降（圖 2C）；另一方面，用重組的 AtSIPS1 和 AtSIPS2 處理油菜花柱，通過激活 BrRBOHs 顯著提高了柱部活性氧水平，其效果與用野生型擬南芥花粉進行授粉時的情況相似（圖 2D）。這些結果證實，作為不同物種花粉中 SIPS 所引發的下游反應，柱部活性氧水平會增加。后續文章證實了 AtSIPS 誘導的 B. rapa 花柱反應中存在 SRK 和 FER 的依賴性（圖 2D）。與 BrSCR46 引發 SI 的方式類似，AtSIPS1 促進了 BrSRK46 的二聚化以及 BrSRK46 與 BrFER1 的相互作用（圖 2G-H）?？傮w而言，這些結果表明，SIPS-SRK 構成了一對信號受體，單方面觸發了 SI 的 B. rapa 花柱中由 FER 介導的活性氧增加，從而拒絕異種花粉。
圖2 SIPS在油菜柱頭中觸發ISI反應
3、SIPS是一種被 SRK 廣泛認可的泛家族花粉信號
文章研究了十字花科家族的代表性物種以及十字花目中親緣關系密切的家族物種中SIPS 的同源基因和同源蛋白。發現SIPS 的同源基因僅在 31 種十字花科植物中被發現，例如紫花油菜、靛藍油菜、亞歷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發現；對所有主要類群的被子植物全基因組進行比對后，僅發現與 AtSIPS1 和 AtSIPS2 具有最高 43%氨基酸同源性的序列，這表明 SIPS 引發的自交抑制在十字花科植物中起著廣泛的抑制作用。來自十字花科以外的物種（如番茄、側枝花和草莓）的花粉表現得較為中性，在番茄中表達 SIPS 使番茄花粉能夠誘導油菜花柱的活性氧產生，同時伴有花粉活力的喪失，這與擬南芥花粉的情況相似（圖 3B）。這些結果表明，SIPS 足以觸發對油菜花柱上異種花粉的排斥反應。接下來，文章測試了來自其他十字花科植物的 SIPS 同源蛋白是否也具有與 AtSIPS 相似的功能，結果發現來自 O. violaceus、I. indigotica 和 A. lyrata 的重組 SIPS 蛋白均與 BrSRK46 發生了相互作用（圖 3C-D），并使油菜花柱中的活性氧水平升高，與 AtSIPS1 相當。相比之下，來自 Cleome violacea 和 S. lycopersicum 中與 AtSIPS1 最相似的序列編碼的重組蛋白無法與 BrSRK46 發生相互作用，也無法使油菜花柱中的活性氧水平升高。這證實了 SIPS-SRK 功能是十字花科家族內異種反應抑制機制的保守形式。
圖3 SIPS是一種被 SRK 廣泛認可的泛家族花粉信號
通過對不同物種的 SIPS 同源蛋白比對分析，發現了兩個保守的半胱氨酸殘基（圖 4A），它們在通過質譜分析檢測到的 AtSIPS1 和 AtSIPS2 中形成了分子內二硫鍵。將這兩個半胱氨酸殘基突變為丙氨酸會嚴重削弱 AtSIPS1C49A、C83A（mAtSIPS1）和 AtSIPS2C39A、C73A（mAtSIPS2）與 BrSRK46 的相互作用能力（圖 4D），并使其無法誘導 BrSRK46 的二聚化（圖 4E）。使用突變肽 mAtSIPS1 和 mAtSIPS2，或者用 Tris（2-羧乙基）lìn suān鹽處理 AtSIPS1 和 AtSIPS2 以破壞二硫鍵，會消除它們激活 BrRBOH 活性和在 B. rapastigmas 中誘導 ROS 的能力（圖 4F），這表明這種二硫鍵對于 SIPS 的功能至關重要。
圖4 質譜法檢測二硫鍵及二硫鍵對BrSRK46的相互作用至關重要
4、SRK 序列多態性不影響與SIPS的相互作用
眾所周知，SRK 變體的高變區（hv1、hv2 和 hv3）決定了受體與同源的 SCR 配體結合的特異性，從而排斥表達與柱頭相同 S 基因型的花粉。因此，文章探究了 SRK 的超變區和保守區是如何與 SIPS 發生相互作用的：從大花棉團蘚、紅花藜和垂盆草中選取了 SRK 分子進行分析，并發現它們的 SRK 分子與 AtSIPS1 發生了相互作用（圖 5C）；不同 S 基因型的 BrSRKs，即 BrSRK46、BrSRK12 和 BrSRK44，也與 AtSIPS1 和 AtSIPS2 存在相互作用（圖 5D）；體外數據表明，B. rapa 的 S12、S44 和 S46 種子花柱在接收到 A. thaliana 花粉并用 AtSIPS1 和 AtSIPS2 處理后，其活性氧（ROS）水平都有顯著增加（圖 5E），這些結果表明，SIPS-SRK 相互作用不受 SRK 序列多態性或其物種來源的影響。此外，也通過裂解式熒光素酶和拉伸捕獲實驗證明了AtSIPS1 和 AtSIPS2 會相互競爭地結合到 BrSRK46 上（圖 6A-B），但 BrSCR46 不會與 SIPS 與 BrSRK46 的結合競爭（圖 6C-F）。綜合來看，這些結果有力地表明，SRK 的保守區域參與了 SIPS - SRK 之間的相互作用，并且能夠廣泛排斥不同物種的花粉。
圖5 SRK 序列多態性不影響與SIPS的相互作用
圖6 裂解式熒光素酶和拉伸捕獲實驗證明AtSIPS1、AtSIPS2與BrSCR46在結合BrSRK46過程中的競爭關系
5、為油菜屬植物建立高效的遠緣雜交策略
以上的研究結果表明，十字花科植物的遠緣雜交中，柱頭屏障是由 SIPS-SRK 介導的識別以及 FER-ROS 介導的對 ISI 花粉在 SI 子房中的排斥所調控的。因此，為最大限度地提高獲得雜交植株的可能性，文章在花粉方面和子房方面提出并進行了多種策略的研究。
從花粉方面來看，敲除 AtSIPS 使得擬南芥花粉能夠穿透成熟的柱頭，在 C. grandiflora（其為近親）的強 SI 植株的子房中形成許多帶有雜交胚的擴大子房（圖 2B、5A 和 7A-B）。但是在遠緣物種之間的雜交中，即♀B. rapa × ♂A. thaliana 中，AtSIPS1/AtSIPS2 突變體的花粉管既無法穿透強壯的 SI 植株（S46）的成熟柱頭，也無法穿透其幼芽柱頭（圖 2B），但卻能成功地長入較弱的 SI 植株（S44）的幼芽柱頭中。突變 SIPS 有可能是跨越這一屏障的有效方法，但基因組改造在商業育種中并不被廣泛接受。
從雌蕊的角度來看，選擇較弱的 SI 系列至關重要，文章使用兩個高度差異顯著的物種（♀B. rapa×♂B. vulgaris）之間的雜交實驗作為模型進行了系統評估。用鹽酸水楊酸處理以清除活性氧的 24D4 花柱產生的花粉管和增大的子房也比 14CR 多。在獲得雜種胚后，它們可以在體外培養，然后進行染色體加倍以繞過發育障礙并恢復生育能力。這種方法應當適用于其他十字花科植物，這類植物包括許多重要的蔬菜和油料作物，這為通過遠緣雜交實現成功育種帶來了重要的進展。
圖7 建立高效的十字花科植物雜交育種策略
四、研究結論
自然界中的 SI 種類常常受到同域物種的花粉的挑戰。它們實施 ISI 并廣泛排斥異種花粉的能力，從而防止缺陷性的雜種胚形成。本文發現SIPS - SRK 相互作用招募雌性調節因子 FER，并依賴于 FER 介導的活性氧來排斥異種花粉；在可兼容的授粉過程中，PCP-Bs 的特定結合會解除 FER 介導的柱頭活性氧通道的封閉狀態，并使可兼容的花粉能夠進入雌蕊內部。發現 FER 作為兩者（與 PCP-B 的兼容性和與 SIPS-SRK 的不兼容性）的中央信號節點具有重要意義。這種理解為遠緣雜交開辟了新的途徑。
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