为国家安全育种

为农业科研育才

为大白菜装上“中国芯”

祝贺！

山东这位青年女科学家荣登全国榜单

一、为什么选择大白菜育种？

据了解，餐桌上常见的大白菜、甘蓝、芥菜、萝卜等蔬菜，均属十字花科。其中，大白菜是我国北方冬贮数量最大的蔬菜，全年播种面积约2700万亩，约占全国蔬菜总播种面积的14.4%。

我们很难想象，这种最平常的蔬菜，还需要科学家在实验室里做研究，甚至存在难以攻关的科学问题和技术问题。而山东农业大学的段巧红就是研究大白菜，发表创新理论并开展育种技术应用的人。

图片来源：大众日报

2017年8月，段巧红回国，加入山东农业大学建立大白菜育种团队。

彼时，段巧红的实验室刚刚开始运行，连科研仪器都没有，团队里只有3位硕士生。段巧红琢磨着，这个季节，大白菜不是很好买吗？她以前没有研究过大白菜，就想借此机会观察下大白菜受精过程是怎样的，于是从外面买了几颗，在办公室窗台上腾出个地方，养起了白菜花。

做大白菜生殖机理研究，需要有不间断的白菜花。有一次，为了开展课题，段巧红指挥课题组的同学从超市买大白菜搬回实验室做预试验，一次就要买二十几颗白菜。几人雄赳赳气昂昂，扛着大白菜从超市出来，路过的人特别震惊，追问超市里大白菜是不是在搞促销。

段巧红还有个“大白菜生长时钟”。

2018年春季开始，段巧红团队有了大棚，除了夏季的6-9月太热，不能种植大白菜，其他季节都可以大量种植了。研究大白菜生殖就要等它开花，由于大白菜从种下去到开花需要三四个月，可万一实验失败，大白菜花开过了，就要重新花几个月时间才能等到开花。为了持续有大白菜花可研究，段巧红团队的第一要务，就是要严格按照“大白菜生长时钟”为研究做好基本的材料保障工作，每20天就会播种一次，每次种200多株……

“每年春天，太阳刚出来，我们就要赶到试验田，抢抓有利时机采花、授粉，时间紧、任务重、劳动强度大。但大家从不抱怨，只想着抓紧时间工作，把握大好春光。”段巧红说。

图片来源：海报新闻

谈及“为什么做大白菜育种”？

段巧红坦言：“白菜是我们的国菜，相较于其他蔬菜如甘蓝、青花菜等，白菜的国产率要高很多，基本上能够实现自给自足。目前，我国的大白菜登记的品种已达到2000个左右，山东的主流品种是胶州大白菜。原先的大白菜的育种目标主要是提高产量，现在的研究重点是提升种源质量和实现品种多样化，比如紫色大白菜就是一个新兴的特色品种。正是因为市场需求是不断变化的，所以我们的探索和研究是永无止境的。”

图片来源：海报新闻

从吃得饱到吃得好，一代又一代人的餐桌从单一到丰富，而这背后离不开农业育种工作者的默默付出和不懈努力。

面对种源的创新研究，段巧红一展积极和乐观的态度，“原来只能冬天吃大白菜，现在人们春天和夏天也想吃，另外还想吃富含不同的营养物质的大白菜，这就要求大白菜品种具有耐高温、低温、弱光、抗病、抗虫等优良性状。原先我们依赖进口，但现在我们要自己掌握种质资源和核心技术。这项工作是紧迫且具有挑战性的，国家投入了大量人力、物力、财力，给予育种工作极大的重视和支持，我们有信心打好种业振兴行动这场翻身仗。”

不断试验，不断试错，功夫不负有心人。几年内，段巧红团队三篇科研论文接连登上国际重量级学术期刊。4月28日，第十九届中国青年女科学家奖名单揭晓，段巧红榜上有名！

二、搞清大白菜“近亲不结婚”机制

2020年3月，段巧红团队科研成果在国际学术期刊《自然》主刊发表，成功揭示了被子植物阻止多个花粉管进入胚珠的分子机制，在分子与生化水平上解析了被子植物有性生殖机理，为解决小麦、玉米、蔬菜、果树等作物杂交育种中的“卡脖子”问题提供了重要理论支撑，迈出了理论研究的第一步。

2021年5月，《当代生物学》在线发表了段巧红团队的最新成果，证实了活性氧是维持大白菜自交不亲和的必需因素，解析了植物抑制自花花粉以防止“近亲婚配”的分子机制，有效提高亲本繁殖效率，进一步实现了从理论到生产的突破，具有提高作物产量、培育优良品种及创新种质资源等现实意义。

大白菜这种十字花科植物的典型特征就是具有自交不亲和性。

段巧红解释道：“人类近亲生育，后代就容易生病，所以人们避免近亲结婚。植物为了让后代保持遗传多样性，适应环境，也有一套机制来抑制自花受精，这就是自交不亲和性。”但是，“要做杂交育种，就得先有纯和的自交不亲和系作为亲本，”但天生自交不亲和的大白菜，极难产生自交种子，一亩地有很多时候连一斤种子都收不到。这导致亲本选择上的瓶颈，即使这个种质资源的综合性状非常好，却由于自交繁种困难而不能作为亲本，育种学家们也不得不忍痛割爱。

得益于段巧红在博士和博后期间对植物有性生殖过程的系统性研究，她很快就发现在活性氧参与大白菜自交不亲和过程。大白菜柱头在自花花粉的刺激下产生大量具有杀伤力的活性氧，抑制自花花粉生长；而在异花授粉的过程中，柱头活性氧降低，以支持异花花粉的生长。她们进一步研究发现，清除柱头活性氧，就能有效打破大白菜自交不亲和，促进自花花粉的生长。

在理论的支持下，她们开发了打破自交不亲和的育种技术，该育种技术已经由河南省农科院大田试验证实，提高大白菜亲本繁种效率215%，制种成本降低60%以上，显著提升了大白菜等十字花科蔬菜的育种效率。

三、打破大白菜“生殖隔离”

2023年1月，团队最新研究成果再次在《自然》在线发表，揭示了大白菜等十字花科蔬菜通过调控柱头活性氧水平以维持种间生殖隔离的分子机理，并研发了打破远缘杂交生殖隔离的育种技术，成功获得了大白菜的种间、属间远缘杂交胚，开辟了远缘杂交育种的新思路和新途径。

远缘杂交是什么？不同种间属间甚至亲缘关系更远的物种之间的杂交，也被称为物种间的“跨界”。比如用冰草与小麦杂交，培育出节水型小麦新品种；用枸杞与辣椒杂交，培育出个高大、产量高、营养丰富的枸杞辣椒……

远缘杂交，能够有效“取长补短”，突破种属界限，扩大遗传变异，从而实现创造新物种、改良旧物种、利用杂种优势的育种意义。

段巧红介绍，种间生殖隔离的存在，严重阻碍远缘杂交技术在育种中的应用。因此，对远缘杂交生殖隔离的机理研究并由此开发出的克服远缘杂交障碍的育种技术，对育种技术的创新及种质资源创新，尽快实现种源的自主可控具有重要意义。

想要充分利用远缘物种的优质基因资源，首先要对其调控机制进行系统解析。

团队研究发现，远缘杂交生殖隔离中对花粉的抑制有两个不同的调控机制。在自交不亲和植物的柱头上，SRK受体识别自花花粉也可以识别远缘花粉，进而激活FERONIA受体激酶调控的柱头活性氧，抑制花粉生长。而在自交亲和植物的柱头上，缺乏SRK受体，种内花粉比远缘花粉更快降低柱头活性氧，优先进入柱头及子房完成受精。这两种调控机制都确保了生殖隔离阻止了物种间基因的流动。

基于对种间隔离形成机理的解析，团队开发了清除柱头活性氧以打破十字花科蔬菜远缘杂交障碍的育种技术，成功得到大白菜的种间、属间杂交胚，目前该技术正应用于十字花科蔬菜育种。

段巧红研究团队联合上中下游育种单位，协同开展大白菜远缘杂交育种联合攻关。例如芝麻菜耐热且富含芝麻香味，已成功得到大白菜与芝麻菜的远缘杂交植株，正在进行杂交后代的培育与筛选。

“我们克服了大白菜和具有抗虫特性的欧洲山芥之间的受精障碍，得到了远缘杂交胚胎。我们正在大量开展胚胎挽救工作，非常有希望能得到抗虫的大白菜种质和新品种！”段巧红说。

欧洲山芥是目前已知唯一能够合成抗真菌及虫害的次生代谢物质皂苷的十字花科植物，高抗小菜蛾、白条锈病、跳甲、甘蓝夜蛾等十字花科寡食性害虫，段巧红已成功获得大白菜与欧洲山芥的远缘杂交胚，正在通过胚挽救获得远缘杂交植株，有望在后代中选育出抗虫大白菜种质，实施蔬菜绿色生产保障食品安全和人民健康。

图片来源：半岛都市报

“一个研究的应用范围是非常广的，突破以后可以实现很多品种的覆盖。所以我们需要也愿意与产业、企业相结合。国产化的种源既可以确保安全和质量，同时价格的优势也相当明显，比如普通的白菜种子可能一袋（10 g）就卖1块钱，但是更高端的种子就能卖好几十块钱，价格差异非常大。这带给农民和企业的是切实的成本问题，所以我们现在要做的就是优化和创新，并且持续不断地产出新的种源。”段巧红说。

“希望通过我们的努力，研发出真正解决蔬菜产业发展的有效手段和工具，尽快实现从‘0到1’的概念突破和从‘1到100’的应用转换。”这是段巧红和团队青年科学家的梦想。

段巧红，山东农业大学园艺科学与工程学院院长、教授，博士生导师，教育部“长江学者”特聘教授。近年来，她先后主持国家自然科学基金面上项目、山东省自然科学基金重大基础项目（原创类）、山东省自然科学基金重点项目等。曾获评山东省三八红旗手、齐鲁巾帼十大科技创新之星、齐鲁最美科技工作者、山东省教育系统女职工建功立业标兵等。

【声明】转载自其它平台或媒体文章，本平台将注明来源及作者。若侵犯著作权，请联系本平台并提供相关书面证据，本平台将更正来源及作者或依据著作权人意见在24小时内 删除该文章。

信息来自大众日报、果壳、山东农业大学、科技日报、海报新闻等 长江蔬菜综合整理