《Cell》十字花科植物双步骤自花授粉机制：逆境下最大化繁殖成功率的新发现

《Cell》：A two-step self-pollination mechanism maximizes fertility in Brassicaceae

编辑推荐：北京大学研究团队发现拟南芥通过"花闭合-二次授粉"的双步骤机制（含MYB108突变体验证），在花粉限制条件下将柱头授粉面积从55.2%提升至91.8%，使dmp8 dmp9和hap2/gcs1+/-突变体的结实率显著提高。该机制在荠菜和弯曲碎米荠中保守存在，为自花授粉植物应对环境压力提供了进化新见解。

　　

在植物繁殖的精密舞台上，授粉过程犹如一场精心编排的芭蕾。对于自花授粉植物而言，如何在恶劣环境下确保繁殖成功始终是进化的重要命题。传统观点认为，拟南芥等植物通过花前闭花授粉（cleistogamy）即可完成繁殖，但北京大学瞿礼嘉团队在《Cell》发表的研究颠覆了这一认知，揭示了一个精妙的双步骤授粉机制。

研究团队通过延时摄影捕捉到惊人发现：拟南芥花朵在完成首次授粉后并非简单凋谢，而是经历二次"谢幕"——花朵闭合将花药再次压向柱头中心区域。这种时空分离的授粉策略使花粉沉积量从140粒增至266粒，柱头授粉面积扩大1.66倍。在35°C热胁迫下，该机制使结实率从56.3%提升至78.6%，展现出显著的生态适应价值。

关键技术包括：1）延时显微成像系统记录授粉动态过程；2）构建hap2/gcs1^+/- CRISPR突变体；3）苯胺蓝染色追踪花粉管路径；4）跨物种比较分析涵盖荠菜等近缘种；5）热胁迫处理（35°C/16h）模拟环境压力。

"两步走"的授粉策略
研究发现拟南芥在花蕾期完成首次侧向授粉后，花朵开放4-6小时会重新闭合，借助雌雄蕊交替伸长（长雄蕊从1.5mm增至2.2mm）实现中央区二次授粉。在myb108（花药开裂缺陷）突变体中，该机制使胚珠靶向率从8.8%飙升至82%，结实率提升10倍。

逆境中的繁殖保障
热胁迫实验显示，二次授粉能补偿高温导致的 pollen viability（花粉活力）下降。在gamete fusion（配子融合）缺陷的hap2/gcs1^+/-和dmp8 dmp9突变体中，二次授粉使multiple pollen tube（MPT）比率分别提升28.2%和67.4%，证实其促进fertilization recovery（受精恢复）的作用。

跨物种保守性
在荠菜和弯曲碎米荠中同样观察到该机制，花粉沉积量分别增加135%和84%。而远交物种（如琴叶拟南芥）则缺乏完全花闭合特性，暗示该机制与自交综合征（selfing syndrome）的协同进化。

讨论部分指出，这种"分批投递"策略完美协调了三个关键要素：1）柱头衰老的时空梯度（从边缘向中心）；2）花粉需求量的动态变化；3）环境压力的不可预测性。研究不仅揭示了植物应对pollen limitation（花粉限制）的新机制，更为作物抗逆育种提供了新思路——通过调控MYB108等花药发育基因，可能人工模拟这种"双保险"授粉模式。正如研究者所言，这或许是自然界留给自交植物的一份"生殖保险单"。