图 十字花科自花授粉植物中的“两步授粉”机制

　　在国家自然科学基金项目（批准号：32388101、32122014、32070854）等资助下，北京大学瞿礼嘉教授、钟声研究员团队首次发现了十字花科自花授粉植物中保守存在的“两步授粉”机制，相关成果以“十字花科自花授粉植物通过两步授粉机制实现繁殖力最大化（A two-step self-pollination mechanism maximizes fertility in Brassicaceae）”为题，于2025年4月14日在《细胞》（Cell）杂志在线发表。论文链接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00294-6

　　授粉指的是花粉从开裂的花药转移到柱头上的过程，是被子植物有性生殖过程中雌雄相互作用的起始点，也是整个有性生殖过程中效率最低、不确定性最高的环节。按照花粉的来源划分，植物主要有异花授粉和自花授粉两种授粉策略。异花授粉有利于物种遗传多样性的增加，而自花授粉更有利于植物在波动的环境（如传粉昆虫稀缺等）中稳定地繁衍后代。据不完全统计，约有10~15%的被子植物是自花授粉植物，其中包括水稻、小麦、大豆、花生、番茄等多种主要农作物。由于自花授粉不需要传粉者的帮助，自花授粉植物的花器官通常表现出典型的自交综合征，如花器官整体变小、花粉与胚珠的比值降低等。而自花授粉植物的雄蕊往往裸露在外，花粉（雄配子体）更容易受到外界环境的影响。因此，对于自花授粉植物而言，能否顺利受精、产生后代种子主要取决于其自身花粉的质量与数量。

　　该研究团队以自花授粉的十字花科植物为材料，发现了包括模式植物拟南芥在内的多种自花授粉植物中均存在一种授粉新现象——“两步授粉”，即：第一次授粉发生在花瓣未打开的花中，雄蕊与雌蕊首次接触，花药对柱头的侧边缘处进行授粉；而花瓣在打开6~7小时之后又会再次闭合，使得各自伸长后的雄蕊与雌蕊再次接触，花药对柱头的中央区域进行二次授粉。这种“两步授粉”的策略显著提高了柱头的有效授粉面积，也显著增加了总花粉量。

　　进一步研究发现，在花粉受限或逆境条件下，仅有第一次授粉的植物的育性会受到严重影响，而进行第二次授粉与第一次授粉之间具有明显的时空差异性，使得第二次授粉可以显著提高植物的育性。由此他们揭示了“两步授粉”在花粉受限或者逆境等情况下提升植物育性的机理，即增加的总受粉量可以通过显著提高受精补偿的效率来提升植物的育性。这项研究阐明了“两步授粉”机制在花粉受限和逆境下提高植物育性的机理及其生物学意义，为逆境条件下通过操控授粉获得农作物的稳产和增产提供了新的思路。