北京时间2025年4月14日23时，《细胞》（Cell）在线发表了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/钟声团队的最新研究成果。他们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，并解析了该授粉策略对于自花授粉植物在花粉限制或逆境下保障植物育性的重要生物学意义。
瞿礼嘉教授和钟声研究员为论文的共同通讯作者，北京大学生命科学学院博士研究生刘璞、全鑫及已毕业的宋子菡博士为论文的共同第一作者。
作为陆地植被的最大类群，被子植物有性生殖过程的稳定性是其成为陆地植物“霸主”的最重要原因之一。授粉（即花粉从开裂的花药转移到柱头上的过程），作为被子植物有性生殖过程中雌雄互作的起点，是整个有性生殖过程中效率最低且存在最多不确定性的环节。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（如传粉者稀缺等）中稳定地繁衍后代。目前，据不完全统计，被子植物中约有10-15%的自花授粉植物，其中包括水稻、小麦、大豆、花生、番茄等多种农作物。
但由于不再需要传粉者的帮助，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以及吸引传粉者的特征（如鲜艳的花色、蜜腺等）丧失等特征。重要的是，与包裹在厚厚的雌蕊组织中的雌配子体（胚珠）受到很好的保护不同，自花授粉植物的雄配子体（花粉）随时可能受到各种胁迫和损伤。因此，自花授粉植物能否顺利受精、产生后代种子，主要取决于自身花粉的质量与数量。
在新发表的这项研究中，他们发现在模式植物拟南芥中存在一种全新的“两步授粉”机制，即：第一次授粉发生在未开放的花中，雌雄蕊首次接触实现了柱头侧边缘的授粉；而开花6-7小时之后花瓣会再次闭合，使得花药与柱头再次接触，并实现对柱头中央区域的授粉。这种对于柱头不同区域的第二次授粉依赖于雌雄蕊的交替伸长，显著提高了柱头授粉面积的利用率。但有意思的是，他们发现在正常的植物生长条件下，第一次授粉就完全可以保证植物获得正常的后代种子数量，既然如此，那么为何植物还要进行第二次授粉呢？
随着进一步的探究，他们发现在环境胁迫和自身发育导致的花粉数量或质量受限的情况下，与只有一次授粉相比，具有时空差异的第二次授粉可以通过增加柱头上的授粉量，对那些一次授粉后未能成功受精的胚珠进行补偿受精。他们还发现，这种类似的“两步授粉”机制在另外两个自花授粉的十字花科植物淡红荠（Capsella rubella）和弯曲碎米荠（Cardamine flexuosa）中也存在，表明该机制可能是一种广泛存在于自花授粉植物中的保守授粉策略，其作为植物应对环境胁迫和保障繁殖成功的适应性策略可能具有普遍性。有趣的是，这种授粉机制在十字花科异花授粉的植物琴叶拟南芥（Arabidopsis lyrata）和白菜（Brassica rapa）中没有观察到。这种在十字花科自花授粉植物中新观察到的“两步授粉”机制以及其作为植物一种“未雨绸缪”应对逆境、保障繁衍的备份策略，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，传粉后，被子植物有性生殖过程的顺利进行还依赖于雌雄互作多个节点的正确交流和识别。作为第一批入选“新基石研究员”的植物学家，瞿礼嘉教授及其团队历时十余年的努力，逐一解析了从传粉后花粉管与柱头识别过程中花粉管如何穿透柱头的分子机制（Lan et al., Cell, 2023），到花粉管穿透柱头后花粉管导向过程中同种花粉管如何实现“同种花粉优先”占据受精机会的分子机制（Zhong et al., Science, 2019），再到花粉管导向进入胚珠后如何被识别并最终爆裂释放精细胞的分子开关（Ge et al., Science, 2017），最后揭示了植物如何通过信号识别保证花粉管顺利进入胚珠并爆裂，同时还阐明了植物如何实现"防止多精受精"与"受精补偿"这两个关键生物学过程之间的动态协调的分子机制（Zhong et al., Science, 2022）。瞿礼嘉/钟声团队多年来系统性的研究成果（Zhong et al., Annu Rev Plant Biol, 2025），不仅加深了人们对于被子植物有性生殖过程的理解，还为未来打破生殖障碍、实现远缘杂交提供了新的思路，为保障粮食安全和丰富植物的遗传多样性提供了重要的理论支撑。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.03.021
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