瞿礼嘉/钟声课题组发现植物传粉过程中“未雨绸缪”的“两步授粉”备份新机制，为作物逆境下的育性优化提供新思路

2025年4月14日，基因功能研究与操控全国重点实验室、北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心瞿礼嘉/钟声团队在Cell期刊在线发表题为“A two-step self-pollination mechanism maximizes fertility in Brassicaceae”的研究论文（Liu^#, Quan^#, Song^# et al., Cell, 2025），首次报道了他们在十字花科自花授粉植物中新发现的保守的“两步授粉”机制，该机制植物的一种“未雨绸缪”的备份授粉方式，帮助植物在花粉受限以及逆境胁迫的情况下能够产生更多的种子、从而提升植物的环境适应性。

众所周知，被子植物是陆地植物中最大类群，人类耐以生存的诸多粮食和经济作物几乎都来自于被子植物。被子植物能成为最大类群的陆地植物的一个重要原因是其有性生殖采用了被子植物所独有的“粉管受精”方式，从而使得其有性生殖过程完全摆脱了对水的依赖，显著提高了环境适应性。传粉过程作为“粉管受精”的第一步，其传粉的质量和数量是后续成功完成有性生殖过程、产生后代种子的重要前提。瞿礼嘉/钟声团队的这项研究通过长时间线的追踪拍摄观察到了十字花科多种自花授粉植物中存在的“两步授粉”机制这一“新现象”，即这些自花授粉植物在花瓣打开之前就会完成第一次授粉；而在花瓣打开一段时间之后，花瓣会再次关闭，进行第二次授粉。他们通过细致的观察不仅发现了雌雄蕊的交替伸长是“两步授粉”机制的重要前提，还发现第二次授粉显著提升了柱头面积的授粉利用率。更为重要的是，他们还进一步解析了“两步授粉”机制的生物学意义，他们发现，其实，第一次授粉完全可以保障植物在正常环境下的育性，而具有时空特异性的第二次授粉则是作为一种“未雨绸缪”的备份授粉方式，帮助自花授粉植物在花粉受限以及逆境胁迫的情况下产生更多的种子，从而保障了植物的育性。这一传粉新机制的阐明，为逆境下农作物的增产实践提供了新的思路。值得一提的是，在“粉管受精”的过程中，被子植物的育性保障是由包括“授粉”机制在内的一系列连续的雌雄相互作用来共同协同实现的。除了此次阐明的“两步授粉”新机制以外，瞿礼嘉/钟声实验室经过近十年的不懈努力，还逐一揭示了雌雄互作过程各个节点的分子调控机制，包括花粉管如何完成识别并穿透柱头的过程（Lan et al., Cell, 2023）、花粉管导向过程同种花粉管如何优先占据受精机会进入胚珠（Zhong et al., Science, 2019）、花粉管进入胚珠后又是如何被识别并爆裂释放出精细胞（Ge et al., Science, 2017）。同时，他们还揭示了植物通过雌雄相互作用阻止多花粉管同时穿出隔膜、以防止多精受精，以及在双受精失败后吸引新的花粉管来进行受精补偿二者背后的分子调控机制，厘清了这两个重要事件间建立的精妙平衡关系（Zhong et al., Science, 2022）。他们的研究成果系统性地阐明了被子植物雌雄互作过程重要节点的分子调控机制，极大地拓展和深化了人们对于被子植物通过“粉管受精”产生种子的有性生殖过程的理解（Zhong, Lan and Qu, Annu Rev Plant Biol, 2025）；同时，这些发现也为通过人工操纵方法打破杂交障碍、实现植物远缘杂交奠定了基础。

北京大学生命科学学院的2019级博士研究生刘璞、2024级博士研究生全鑫和已毕业博士研究生宋子菡博士为该论文的共同第一作者，钟声研究员和瞿礼嘉教授为共同通讯作者。德国雷根斯堡大学Thomas Dresselhaus教授、北京大学顾红雅教授、清华大学谢道昕院士和崖洲湾实验室杨维才院士共同参与了该项研究工作。此外，该工作还得到了上海师范大学杨仲南教授、武汉大学孙蒙祥教授、中国科学院植物研究所郭亚龙研究员和孔宏智研究员在实验材料、实验设计等方面给予的大力帮助。该项研究得到了国家自然科学基金、新基石科学基金和北大-清华生命科学联合中心的资助支持。

图1 十字花科自花授粉植物中的“两步授粉”机制