我國學者發現十字花科自花授粉植物中保守存在的“兩步授粉”機制

　　圖 十字花科自花授粉植物中的“兩步授粉”機制

　　在國家自然科學基金項目（批準號：32388101、32122014、32070854）等資助下，北京大學瞿禮嘉教授、鐘聲研究員團隊首次發現了十字花科自花授粉植物中保守存在的“兩步授粉”機制，相關成果以“十字花科自花授粉植物通過兩步授粉機制實現繁殖力最大化（A two-step self-pollination mechanism maximizes fertility in Brassicaceae）”為題，于2025年4月14日在《細胞》（Cell）雜志在線發表。論文鏈接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00294-6

　　授粉指的是花粉從開裂的花藥轉移到柱頭上的過程，是被子植物有性生殖過程中雌雄相互作用的起始點，也是整個有性生殖過程中效率最低、不確定性最高的環節。按照花粉的來源劃分，植物主要有異花授粉和自花授粉兩種授粉策略。異花授粉有利于物種遺傳多樣性的增加，而自花授粉更有利于植物在波動的環境（如傳粉昆蟲稀缺等）中穩定地繁衍后代。據不完全統計，約有10~15%的被子植物是自花授粉植物，其中包括水稻、小麥、大豆、花生、番茄等多種主要農作物。由于自花授粉不需要傳粉者的幫助，自花授粉植物的花器官通常表現出典型的自交綜合征，如花器官整體變小、花粉與胚珠的比值降低等。而自花授粉植物的雄蕊往往裸露在外，花粉（雄配子體）更容易受到外界環境的影響。因此，對于自花授粉植物而言，能否順利受精、產生后代種子主要取決于其自身花粉的質量與數量。

　　該研究團隊以自花授粉的十字花科植物為材料，發現了包括模式植物擬南芥在內的多種自花授粉植物中均存在一種授粉新現象——“兩步授粉”，即：第一次授粉發生在花瓣未打開的花中，雄蕊與雌蕊首次接觸，花藥對柱頭的側邊緣處進行授粉；而花瓣在打開6~7小時之后又會再次閉合，使得各自伸長后的雄蕊與雌蕊再次接觸，花藥對柱頭的中央區域進行二次授粉。這種“兩步授粉”的策略顯著提高了柱頭的有效授粉面積，也顯著增加了總花粉量。

　　進一步研究發現，在花粉受限或逆境條件下，僅有第一次授粉的植物的育性會受到嚴重影響，而進行第二次授粉與第一次授粉之間具有明顯的時空差異性，使得第二次授粉可以顯著提高植物的育性。由此他們揭示了“兩步授粉”在花粉受限或者逆境等情況下提升植物育性的機理，即增加的總受粉量可以通過顯著提高受精補償的效率來提升植物的育性。這項研究闡明了“兩步授粉”機制在花粉受限和逆境下提高植物育性的機理及其生物學意義，為逆境條件下通過操控授粉獲得農作物的穩產和增產提供了新的思路。