來源：生命科學(xué)聯(lián)合中心 、丁香學(xué)術(shù)

眾所周知，被子植物是陸地植物中最大類群，人類耐以生存的諸多糧食和經(jīng)濟(jì)作物幾乎都來自于被子植物。被子植物能成為最大類群的陸地植物的一個重要原因是其有性生殖采用了被子植物所獨(dú)有的「粉管受精」方式，從而使得其有性生殖過程完全擺脫了對水的依賴，顯著提高了環(huán)境適應(yīng)性。傳粉過程作為「粉管受精」的第一步，其傳粉的質(zhì)量和數(shù)量是后續(xù)成功完成有性生殖過程、產(chǎn)生后代種子的重要前提。

2025 年 4 月 14 日，北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院瞿禮嘉/鐘聲團(tuán)隊在Cell期刊在線發(fā)表題為

「A two-step self-pollination mechanism maximizes fertility in Brassicaceae」

瞿禮嘉/鐘聲團(tuán)隊的這項研究通過長時間線的追蹤拍攝觀察到了十字花科多種自花授粉植物中存在的「兩步授粉」機(jī)制這一「新現(xiàn)象」，即這些自花授粉植物在花瓣打開之前就會完成第一次授粉；而在花瓣打開一段時間之后，花瓣會再次關(guān)閉，進(jìn)行第二次授粉。

他們通過細(xì)致的觀察不僅發(fā)現(xiàn)了雌雄蕊的交替伸長是「兩步授粉」機(jī)制的重要前提，還發(fā)現(xiàn)第二次授粉顯著提升了柱頭面積的授粉利用率。更為重要的是，他們還進(jìn)一步解析了「兩步授粉」機(jī)制的生物學(xué)意義，他們發(fā)現(xiàn)，其實，第一次授粉完全可以保障植物在正常環(huán)境下的育性，而具有時空特異性的第二次授粉則是作為一種「未雨綢繆」的備份授粉方式，幫助自花授粉植物在花粉受限以及逆境脅迫的情況下產(chǎn)生更多的種子，從而保障了植物的育性。

這一傳粉新機(jī)制的闡明，為逆境下農(nóng)作物的增產(chǎn)實踐提供了新的思路。值得一提的是，在「粉管受精」的過程中，被子植物的育性保障是由包括「授粉」機(jī)制在內(nèi)的一系列連續(xù)的雌雄相互作用來共同協(xié)同實現(xiàn)的。

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除了此次闡明的「兩步授粉」新機(jī)制以外，瞿禮嘉/鐘聲實驗室經(jīng)過近十年的不懈努力，還逐一揭示了雌雄互作過程各個節(jié)點(diǎn)的分子調(diào)控機(jī)制，包括花粉管如何完成識別并穿透柱頭的過程（Lan et al., Cell, 2023）、花粉管導(dǎo)向過程同種花粉管如何優(yōu)先占據(jù)受精機(jī)會進(jìn)入胚珠（Zhong et al., Science, 2019）、花粉管進(jìn)入胚珠后又是如何被識別并爆裂釋放出精細(xì)胞（Ge et al., Science, 2017）。

同時，他們還揭示了植物通過雌雄相互作用阻止多花粉管同時穿出隔膜、以防止多精受精，以及在雙受精失敗后吸引新的花粉管來進(jìn)行受精補(bǔ)償二者背后的分子調(diào)控機(jī)制，厘清了這兩個重要事件間建立的精妙平衡關(guān)系

（Zhong et al., Science, 2022）。

他們的研究成果系統(tǒng)性地闡明了被子植物雌雄互作過程重要節(jié)點(diǎn)的分子調(diào)控機(jī)制，極大地拓展和深化了人們對于被子植物通過「粉管受精」產(chǎn)生種子的有性生殖過程的理解

（Zhong, Lan and Qu, Annu Rev Plant Biol, 2025）；

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圖 1 十字花科自花授粉植物中的「兩步授粉」機(jī)制

北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的 2019 級博士研究生劉璞、2024 級博士研究生全鑫和已畢業(yè)博士研究生宋子菡博士為該論文的共同第一作者，鐘聲研究員和瞿禮嘉教授為共同通訊作者。德國雷根斯堡大學(xué) Thomas Dresselhaus 教授、北京大學(xué)顧紅雅教授、清華大學(xué)謝道昕院士和崖洲灣實驗室楊維才院士共同參與了該項研究工作。

此外，該工作還得到了上海師范大學(xué)楊仲南教授、武漢大學(xué)孫蒙祥教授、中國科學(xué)院植物研究所郭亞龍研究員和孔宏智研究員在實驗材料、實驗設(shè)計等方面給予的大力幫助。該項研究得到了國家自然科學(xué)基金、新基石科學(xué)基金和北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助支持。

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瞿禮嘉

北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授

北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心 PI

郵箱：

qulj@pku.edu.cn

研究領(lǐng)域：

高等植物有性生殖包括雌雄配子體形成、雌雄配子體相互作用、受精以及胚胎發(fā)生發(fā)育等生物學(xué)過程，這些過程受到嚴(yán)格的遺傳調(diào)控。我們以雙子葉模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）為研究對象，研究高等植物有性生殖過程的分子調(diào)控機(jī)理，主要通過遺傳學(xué)、生物化學(xué)和分子生物學(xué)的方法研究參與高等植物有性生殖過程調(diào)控的三大類主要因子，一是參與生殖過程調(diào)控的受體類激酶、多肽信號及其介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)；二是參與生殖過程調(diào)控的蛋白質(zhì)降解和/或內(nèi)膜運(yùn)輸途徑中的重要調(diào)控因子；三是鑒定參與生殖過程調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子基因的功能。此外，我們還關(guān)注單子葉植物水稻中新的轉(zhuǎn)基因技術(shù)的開發(fā)與完善。

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