爲國家安全育種

爲農業科研育才

爲大白菜裝上“中國芯”

祝賀！

山東這位青年女科學家榮登全國榜單

一、爲什麽選擇大白菜育種？

據了解，餐桌上常見的大白菜、甘藍、芥菜、蘿蔔等蔬菜，均屬十字花科。其中，大白菜是我國北方冬貯數量最大的蔬菜，全年播種面積約2700萬畝，約占全國蔬菜總播種面積的14.4%。

我們很難想象，這種最平常的蔬菜，還需要科學家在實驗室裏做研究，甚至存在難以攻關的科學問題和技術問題。而山東農業大學的段巧紅就是研究大白菜，發表創新理論並開展育種技術應用的人。

圖片來源：大衆日報

2017年8月，段巧紅回國，加入山東農業大學建立大白菜育種團隊。

彼時，段巧紅的實驗室剛剛開始運行，連科研儀器都沒有，團隊裏只有3位碩士生。段巧紅琢磨著，這個季節，大白菜不是很好買嗎？她以前沒有研究過大白菜，就想借此機會觀察下大白菜受精過程是怎樣的，于是從外面買了幾顆，在辦公室窗台上騰出個地方，養起了白菜花。

做大白菜生殖機理研究，需要有不間斷的白菜花。有一次，爲了開展課題，段巧紅指揮課題組的同學從超市買大白菜搬回實驗室做預試驗，一次就要買二十幾顆白菜。幾人雄赳赳氣昂昂，扛著大白菜從超市出來，路過的人特別震驚，追問超市裏大白菜是不是在搞促銷。

段巧紅還有個“大白菜生長時鍾”。

2018年春季開始，段巧紅團隊有了大棚，除了夏季的6-9月太熱，不能種植大白菜，其他季節都可以大量種植了。研究大白菜生殖就要等它開花，由于大白菜從種下去到開花需要三四個月，可萬一實驗失敗，大白菜花開過了，就要重新花幾個月時間才能等到開花。爲了持續有大白菜花可研究，段巧紅團隊的第一要務，就是要嚴格按照“大白菜生長時鍾”爲研究做好基本的材料保障工作，每20天就會播種一次，每次種200多株……

“每年春天，太陽剛出來，我們就要趕到試驗田，搶抓有利時機采花、授粉，時間緊、任務重、勞動強度大。但大家從不抱怨，只想著抓緊時間工作，把握大好春光。”段巧紅說。

圖片來源：海報新聞

談及“爲什麽做大白菜育種”？

段巧紅坦言：“白菜是我們的國菜，相較于其他蔬菜如甘藍、青花菜等，白菜的國産率要高很多，基本上能夠實現自給自足。目前，我國的大白菜登記的品種已達到2000個左右，山東的主流品種是膠州大白菜。原先的大白菜的育種目標主要是提高産量，現在的研究重點是提升種源質量和實現品種多樣化，比如紫色大白菜就是一個新興的特色品種。正是因爲市場需求是不斷變化的，所以我們的探索和研究是永無止境的。”

圖片來源：海報新聞

從吃得飽到吃得好，一代又一代人的餐桌從單一到豐富，而這背後離不開農業育種工作者的默默付出和不懈努力。

面對種源的創新研究，段巧紅一展積極和樂觀的態度，“原來只能冬天吃大白菜，現在人們春天和夏天也想吃，另外還想吃富含不同的營養物質的大白菜，這就要求大白菜品種具有耐高溫、低溫、弱光、抗病、抗蟲等優良性狀。原先我們依賴進口，但現在我們要自己掌握種質資源和核心技術。這項工作是緊迫且具有挑戰性的，國家投入了大量人力、物力、財力，給予育種工作極大的重視和支持，我們有信心打好種業振興行動這場翻身仗。”

不斷試驗，不斷試錯，功夫不負有心人。幾年內，段巧紅團隊三篇科研論文接連登上國際重量級學術期刊。4月28日，第十九屆中國青年女科學家獎名單揭曉，段巧紅榜上有名！

二、搞清大白菜“近親不結婚”機制

2020年3月，段巧紅團隊科研成果在國際學術期刊《自然》主刊發表，成功揭示了被子植物阻止多個花粉管進入胚珠的分子機制，在分子與生化水平上解析了被子植物有性生殖機理，爲解決小麥、玉米、蔬菜、果樹等作物雜交育種中的“卡脖子”問題提供了重要理論支撐，邁出了理論研究的第一步。

2021年5月，《當代生物學》在線發表了段巧紅團隊的最新成果，證實了活性氧是維持大白菜自交不親和的必需因素，解析了植物抑制自花花粉以防止“近親婚配”的分子機制，有效提高親本繁殖效率，進一步實現了從理論到生産的突破，具有提高作物産量、培育優良品種及創新種質資源等現實意義。

大白菜這種十字花科植物的典型特征就是具有自交不親和性。

段巧紅解釋道：“人類近親生育，後代就容易生病，所以人們避免近親結婚。植物爲了讓後代保持遺傳多樣性，適應環境，也有一套機制來抑制自花受精，這就是自交不親和性。”但是，“要做雜交育種，就得先有純和的自交不親和系作爲親本，”但天生自交不親和的大白菜，極難産生自交種子，一畝地有很多時候連一斤種子都收不到。這導致親本選擇上的瓶頸，即使這個種質資源的綜合性狀非常好，卻由于自交繁種困難而不能作爲親本，育種學家們也不得不忍痛割愛。

得益于段巧紅在博士和博後期間對植物有性生殖過程的系統性研究，她很快就發現在活性氧參與大白菜自交不親和過程。大白菜柱頭在自花花粉的刺激下産生大量具有殺傷力的活性氧，抑制自花花粉生長；而在異花授粉的過程中，柱頭活性氧降低，以支持異花花粉的生長。她們進一步研究發現，清除柱頭活性氧，就能有效打破大白菜自交不親和，促進自花花粉的生長。

在理論的支持下，她們開發了打破自交不親和的育種技術，該育種技術已經由河南省農科院大田試驗證實，提高大白菜親本繁種效率215%，制種成本降低60%以上，顯著提升了大白菜等十字花科蔬菜的育種效率。

三、打破大白菜“生殖隔離”

2023年1月，團隊最新研究成果再次在《自然》在線發表，揭示了大白菜等十字花科蔬菜通過調控柱頭活性氧水平以維持種間生殖隔離的分子機理，並研發了打破遠緣雜交生殖隔離的育種技術，成功獲得了大白菜的種間、屬間遠緣雜交胚，開辟了遠緣雜交育種的新思路和新途徑。

遠緣雜交是什麽？不同種間屬間甚至親緣關系更遠的物種之間的雜交，也被稱爲物種間的“跨界”。比如用冰草與小麥雜交，培育出節水型小麥新品種；用枸杞與辣椒雜交，培育出個高大、産量高、營養豐富的枸杞辣椒……

遠緣雜交，能夠有效“取長補短”，突破種屬界限，擴大遺傳變異，從而實現創造新物種、改良舊物種、利用雜種優勢的育種意義。

段巧紅介紹，種間生殖隔離的存在，嚴重阻礙遠緣雜交技術在育種中的應用。因此，對遠緣雜交生殖隔離的機理研究並由此開發出的克服遠緣雜交障礙的育種技術，對育種技術的創新及種質資源創新，盡快實現種源的自主可控具有重要意義。

想要充分利用遠緣物種的優質基因資源，首先要對其調控機制進行系統解析。

團隊研究發現，遠緣雜交生殖隔離中對花粉的抑制有兩個不同的調控機制。在自交不親和植物的柱頭上，SRK受體識別自花花粉也可以識別遠緣花粉，進而激活FERONIA受體激酶調控的柱頭活性氧，抑制花粉生長。而在自交親和植物的柱頭上，缺乏SRK受體，種內花粉比遠緣花粉更快降低柱頭活性氧，優先進入柱頭及子房完成受精。這兩種調控機制都確保了生殖隔離阻止了物種間基因的流動。

基于對種間隔離形成機理的解析，團隊開發了清除柱頭活性氧以打破十字花科蔬菜遠緣雜交障礙的育種技術，成功得到大白菜的種間、屬間雜交胚，目前該技術正應用于十字花科蔬菜育種。

段巧紅研究團隊聯合上中下遊育種單位，協同開展大白菜遠緣雜交育種聯合攻關。例如芝麻菜耐熱且富含芝麻香味，已成功得到大白菜與芝麻菜的遠緣雜交植株，正在進行雜交後代的培育與篩選。

“我們克服了大白菜和具有抗蟲特性的歐洲山芥之間的受精障礙，得到了遠緣雜交胚胎。我們正在大量開展胚胎挽救工作，非常有希望能得到抗蟲的大白菜種質和新品種！”段巧紅說。

歐洲山芥是目前已知唯一能夠合成抗真菌及蟲害的次生代謝物質皂苷的十字花科植物，高抗小菜蛾、白條鏽病、跳甲、甘藍夜蛾等十字花科寡食性害蟲，段巧紅已成功獲得大白菜與歐洲山芥的遠緣雜交胚，正在通過胚挽救獲得遠緣雜交植株，有望在後代中選育出抗蟲大白菜種質，實施蔬菜綠色生産保障食品安全和人民健康。

圖片來源：半島都市報

“一個研究的應用範圍是非常廣的，突破以後可以實現很多品種的覆蓋。所以我們需要也願意與産業、企業相結合。國産化的種源既可以確保安全和質量，同時價格的優勢也相當明顯，比如普通的白菜種子可能一袋（10 g）就賣1塊錢，但是更高端的種子就能賣好幾十塊錢，價格差異非常大。這帶給農民和企業的是切實的成本問題，所以我們現在要做的就是優化和創新，並且持續不斷地産出新的種源。”段巧紅說。

“希望通過我們的努力，研發出真正解決蔬菜産業發展的有效手段和工具，盡快實現從‘0到1’的概念突破和從‘1到100’的應用轉換。”這是段巧紅和團隊青年科學家的夢想。

段巧紅，山東農業大學園藝科學與工程學院院長、教授，博士生導師，教育部“長江學者”特聘教授。近年來，她先後主持國家自然科學基金面上項目、山東省自然科學基金重大基礎項目（原創類）、山東省自然科學基金重點項目等。曾獲評山東省三八紅旗手、齊魯巾帼十大科技創新之星、齊魯最美科技工作者、山東省教育系統女職工建功立業標兵等。

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信息來自大衆日報、果殼、山東農業大學、科技日報、海報新聞等 長江蔬菜綜合整理