十字花科植物的远缘杂交是作物改良的关键途径，可引入野生亲缘种的抗逆、抗病等优良基因，但合子间的种间不亲和（SI）屏障严重阻碍这一过程。

段巧红教授团队先前在Nature发表的研究已揭示，自交不亲和（SI）植物柱头中的S位点受体激酶（SRK）与FERONIA（FER）受体激酶通过调控活性氧（ROS）水平，共同介导对自花花粉（种内隔离）和远缘花粉（种间隔离）的排斥，明确了“SRK-FER-ROS”是生殖隔离的核心通路（兔年首篇！Nature顶刊致谢文章出炉！山东农业大学段巧红和黄家保教授研究团队揭示植物远缘杂交新机制），该研究曾基于拜谱生物提供的亚硝基化修饰组学分析，为机制解析提供了关键数据支撑。但触发该通路的远缘花粉信号分子始终未被鉴定，成为机制研究的关键缺口。

2025年11月20日，段巧红教授团队发表于Science的“Pan-family pollen signals control an interspecific stigma barrier across Brassicaceae species”，该研究旨在系统鉴定远缘花粉中与SRK结合的配体，验证其在十字花科中的保守性、功能机制及其在育种中的应用潜力。

研究结果

01、核心信号分子SIPS的鉴定

研究团队通过酵母双杂交与免疫沉淀-质谱（IP-MS）筛选，从拟南芥成熟花粉中鉴定出属于SPH（自交不亲和蛋白同源物）家族的肽类分子，命名为SIPS（SRK-interacting Interspecific Pollen Signal），包括AtSIPS1、AtSIPS2和AtSIPS3三个成员，其中仅AtSIPS1和AtSIPS2具备功能。AtSIPS1/2为分泌型花粉coat蛋白，在成熟花粉中高表达；微量热泳动（MST）实验证实，AtSIPS1/2与白菜柱头的BrSRK46胞外域结合亲和力极高（Kd值），其结合强度与SI配体-受体BrSCR46-BrSRK46的相互作用相当。然而，AtSIPS3并未与BrSRK46发生相互作用。这一结果首次证明远缘花粉存在可与SRK高特异性结合的配体，填补了2023年Nature留下的“远缘花粉信号未知”缺口。

图1 一种与SRK相互作用的种间花粉信号的鉴定

02、SIPS-SRK-FER-ROS通路的验证

AtSIPS1/2结合BrSRK后，会招募FER受体激酶，激活下游的BrRBOHs（呼吸爆发氧化酶），导致柱头ROS水平显著升高，且实验显示，SRK跨膜区缺失突变体（BrSRKΔTM）或FER敲除突变体（brfer1-1/2）柱头中，SIPS无法诱导ROS升高，进一步证实SIPS信号依赖SRK-FER通路；高浓度ROS会显著降低远缘花粉的活力——拟南芥atsips1/2双突变体花粉无法诱导白菜柱头ROS升高，20分钟后花粉活力保留率达70-80%，而野生型（WT）花粉活力仅10-20%，说明SIPS是远缘花粉触发ROS排斥通路的关键“启动信号”。

图2 SIPS在柱头中触发ISI反应

03、SIPS的十字花科特异性与SRK结合保守性

通过共线性分析与全基因组比对，研究发现仅31种十字花科植物（如诸葛菜、菘蓝、琴叶拟南芥）含有SIPS同源物，非十字花科植物（如番茄、矮牵牛、草莓）均无SIPS，其花粉也无法诱导SI植物柱头ROS升高；而在番茄中异源表达AtSIPS1/2后，番茄花粉可成功诱导白菜柱头ROS并降低自身活力，这一结果首次明确SIPS是十字花科特有的远缘花粉信号。

图3 SIPS是一种被SRK广泛认可的泛家族花粉信号

与种内自交不亲和信号SCR结合SRK的“高变区（hv1-3）”不同，SIPS结合SRK的保守区。实验显示，不同S单倍型的BrSRK（如BrSRK₁₂、BrSRK₄₄、BrSRK46）与AtSIPS1/2的结合能力相近，且删除SRK高变区的突变体（BrSRK46Δhv1-2-3）仍能与SIPS结合，仅失去与SCR的结合能力。SIPS结合的保守性确保了不同S单倍型的SI植物均可广谱识别远缘花粉。

图4 SRK序列多态性不影响与SIPS的相互作用

04、基于SIPS机制的远缘杂交策略

基于上述机制，研究团队在之前提出的“抑制SRK/FER、清除ROS”策略基础上，新增“信号-通路双干预”方案，进一步提升远缘杂交效率：

花粉侧干预：敲除拟南芥SIPS基因后，突变体花粉可穿透近缘种Capsella grandiflora的成熟柱头并形成杂交胚。尽管花粉侧SIPS敲除在实验中有效，但其依赖转基因技术，目前在实际育种中应用受限。

柱头侧优化：选择弱SI品系（如白菜24D4，S₄₄），结合反义寡核苷酸（AS-ODN）抑制SRK表达或水杨酸（Na-SA）清除ROS后，接受远缘种欧洲山芥（Barbarea vulgaris，高抗虫）花粉的效率显著提升。延续了“通路干预”的核心思路，同时通过“弱SI品系筛选”降低柱头基础防御水平，使干预效果更显著，为非转基因育种提供了更实用的技术路径。

图5 建立高效的十字花科植物远程育种策略

文章小结

本研究首次鉴定出十字花科远缘花粉信号SIPS，构建“远缘花粉SIPS-SRK-FER-ROS”的完整分子机制，与之前提出的“自花花粉SCR-SRK-FER-ROS”机制共同形成“种内-种间隔离统一模型”，解决了长期以来“植物如何同时维持种内异交与种间遗传完整性”的进化生物学难题。

拜谱小结

段巧红教授团队在十字花科植物生殖隔离领域的研究具有清晰的递进性——2023年Nature率先揭示“SRK-FER-ROS”作为种内/种间生殖隔离核心通路的框架，Science则聚焦该通路中“远缘花粉信号分子”这一关键缺口，完成从“通路解析”到“信号鉴定”的突破，最终形成完整的分子机制链条，为远缘杂交育种提供从理论到技术的全链条支撑。

拜谱生物作为一家国内领先的多组学服务公司，可提供完善成熟的蛋白质组学、修饰组学、代谢组学、转录组学等多组学产品技术服务体系，整合多组学数据进行深入挖掘分析，全面解析机制机理等，助力高分文章发表。欢迎咨询！

参考文献

Y. Cao et al., Science.Pan-family pollen signals control an interspecific stigmabarrier across Brassicaceae species.10.1126/science.ady2347 (2025).