柑橘由自交不亲和向自交亲和进化模式图 柴利军供图
为什么有些柚子不人工授粉就无法结果？为什么大部分柑橘可以不授粉也能正常结果？为什么琯溪蜜柚没有籽，而沙田柚却有那么多籽？……到底是什么在控制这些有趣的性状，科学家一直在探索。
其中的关键“角色”，被国内科研团队挖到了。华中农业大学园艺植物生物学教育部重点实验室教授、中国工程院院士邓秀新领衔的柑橘团队，不仅首次找到控制柑橘自交不亲和性状关键雌蕊决定因子S-RNase蛋白，还发现柑橘由自交不亲和向自交亲和性转变的进化机制，填补了芸香科柑橘自交不亲和机制研究领域的空白。
相关研究成果近日在线发表于《自然—植物》，为芸香科柑橘自交不亲和机制研究打开了一扇大门。
自交不亲和的双面性
自然界被子植物中的两性花，即一朵花中既有雌蕊又有雄蕊，存在一种现象：雌雄蕊虽然正常可育，但自交授粉后花粉管会在花柱中上部被抑制生长，最后无法正常受精产生后代，这种“反常”现象被称作为自交不亲和。
从达尔文的研究开始，无数进化生物学家都在致力于自交不亲和性状的研究。实际上，自交不亲和是开花植物中最重要的生殖性状之一。为什么会有这样的特性存在呢？
“这个性状对植物在自然界中生存是绝对有好处的。如果一个物种可以自交授粉，它的后代基因型很容易纯合，如果老是发生自交，后代就会逐步衰退，随着环境变化，很可能被淘汰掉，甚至灭种。植物是很聪明的，它意识到自己不能放任自交，要与外面的基因‘结亲’，发挥杂种优势，有了遗传多样性，就可以长长久久地生存下去。”论文通讯作者、华中农业大学园艺林学学院副教授柴利军在接受《中国科学报》采访时介绍。
这个“保护伞”，是显花植物的一种广泛存在的生殖隔离机制，对自然界是好事，是植物进化的需要。但是对于产业来说，反而成为劣势。
“在植物分类上，柑橘属于芸香科，是世界第一大水果，在国民经济中具有举足轻重的地位。柑橘柚类多数为自交不亲和品种，部分柚品种同时缺乏单性结实能力，这类品种在实际生产中往往需要栽植适当的授粉树或人工辅助授粉才可以保证高坐果率。”论文第一作者、华中农业大学园艺林学学院博士梁梅在接受《中国科学报》采访时说。
“以广西沙田柚为例，具有典型的自交不亲和特性，自交座果率仅0.3%，因此在生产上必须通过配置酸柚授粉树或进行人工授粉才能提高座果率，非常费时费力，人工成本偏高。”课题组成员、华中农业大学园艺林学学院在读博士生曹宗洪告诉《中国科学报》，这成为制约产业可持续发展的一个重要问题。
那么，控制柑橘自交不亲和现象的决定因子是什么？是否所有柚类品种都具有自交不亲和性状？是否其他柑橘类型也存在这个现象？一系列问题亟待解决。
找到关键基因，填补领域空白
科学家在十字花科、茄科、蔷薇科、玄参科及罂粟科等物种上，已经突破了植物自交不亲和机制的研究。但是，关于芸香科柑橘属植物自交不亲和分子机制一直是一个空白。
探究其原因，主要是由于常规栽培柑橘有5~8年的生长童期，俗话说“桃三李四柑八年”，其机制研究比其他草本植物或者短童期的木本植物更加困难。从2006年开始，柑橘团队便启动了柑橘自交不亲和机制研究。考虑到已有其它植物的研究经验，课题组想借鉴相同方法去“克隆”同源基因，结果却失败了。
再次“扬帆起航”，课题组选择了一个新的角度，那就是建立遗传群体。2013年，邓秀新团队绘制出甜橙全基因组序列图谱，开启了柑橘的基因组时代，为国内外同行研究芸香科柑橘的特殊生物学性状、功能基因组提供重要平台。借此，课题组锁定了一个关键基因，也就是控制柑橘自交不亲和的“钥匙”。
“我们发掘鉴定出控制柑橘自交不亲和性状关键雌蕊决定因子S-RNase蛋白，这是首次解析芸香科柑橘属的这个关键基因，填补了该领域的空白。”柴利军介绍。这个蛋白很特别，编码该蛋白的基因具有花柱特异性表达、单一位点复等位基因和能够特异性抑制自体花粉管生长这三个典型特征。
一个特别有意思的现象引起了科研人员的注意，柚类大部分具有自交不亲和性状，而宽皮柑橘及其杂交种则普遍存在自交亲和的特性，柑橘产区里栽培的种类也大都是自交亲和的。到底是什么原因让现在的大部分柑橘变成自交亲和？
“这是由一个突变的花柱基因所导致。”梁梅说，在检测自交亲和宽皮柑橘材料时，发现它的S-RNase基因（命名为Sm-RNase）编码区第442位有一个腺嘌呤缺失，从而导致移码突变和提前终止，让Sm-RNase蛋白失去功能。
之后，课题组通过扩大样本检测量，最终确定凡是含有突变的Sm-RNase都具有自交亲和性状。
“在这个基础上，我们开发出基于Sm-RNase的分子标记。由于木本植物开花结果需要很多年，而通过这样的手段，我们可以在苗期就检测出是否含有这个突变位点，为早期开展分子标记辅助选择柑橘自交亲和性状资源提供了帮助。”梁梅表示。
华中农业大学拥有丰富的柑橘种质资源优势，课题组利用原始、野生和栽培柑橘资源，构建出柑橘由自交不亲和性向自交亲和性转变的进化模式图。并且，他们还推测出突变的Sm-RNase基因早期发生在宽皮柑橘中，随着柑橘种间相互杂交，这个突变基因便融入到其他柑橘品种中，并在这些柑橘杂交种中“常驻”，最终形成现有栽培柑橘多数表现为自交亲和特性的局面。
从育种出发满足生产需要
如果说之前的研究是大海捞针，那么，这把关键的“钥匙”拿到手后，一切研究都有了目标和靶向，也变得顺手起来。
以柚类为主要研究对象，课题组鉴定到9个高度多态性的S-RNase等位基因，利用收集到的394份柚类自然群体，通过检测，共获得77%资源的S基因型。“获取相关S基因型信息，我们就成为了‘红娘’，负责牵线配对，到底合不合适，能不能做杂交，我们都一清二楚，这可为柚类生产或开展常规杂交育种选配合适授粉亲本提供重要的理论指导。”柴利军说。
“实际生产上非常需要自交亲和性状品种，可以有效降低成本，但是自交亲和品种结果后会产生种子，而消费者大多喜欢无籽水果。”曹宗洪以琯溪蜜柚为例，琯溪蜜柚除了具有自交不亲和性状外还兼具有单性结实的本领，在没有授粉的情况下可以生成无籽果实，HB柚、晚白柚和水晶柚同样具有此优点。
“把自交不亲和与单性结实这两个性状相结合，是最理想的状态。可以在生产上满足实际需求，对于果实的品质上，真正实现不需要人工授粉就可以产生无籽的果实，有助于促进柑橘产业的发展。”柴利军表示。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-020-0597-3
