作為陸地植被的最大類群，被子植物有性生殖過程的穩(wěn)定性是其成為陸地植物“霸主”的最重要原因之一。授粉（即花粉從開裂的花藥轉(zhuǎn)移到柱頭上的過程），作為被子植物有性生殖過程中雌雄互作的起點，是整個有性生殖過程中效率最低且存在最多不確定性的環(huán)節(jié)。按照花粉的來源劃分，植物主要有異花授粉和自花授粉兩種授粉策略。異花授粉有利于物種遺傳多樣性的增加，而自花授粉更有利于植物在波動的環(huán)境（如傳粉者稀缺等）中穩(wěn)定地繁衍后代。目前，據(jù)不完全統(tǒng)計，被子植物中約有 10%-15% 的自花授粉植物，其中包括水稻、小麥、大豆、花生、番茄等多種農(nóng)作物。
但由于不再需要傳粉者的幫助，自花授粉植物的花器官通常表現(xiàn)出典型的自交綜合征，例如花器官整體變小、花粉與胚珠的比值降低以及吸引傳粉者的特征（鮮艷的花色、蜜腺等）喪失等特征。重要的是，與包裹在厚厚的雌蕊組織中的雌配子體（胚珠）受到很好的保護不同，自花授粉植物的雄配子體（花粉）隨時可能受到各種脅迫和損傷。因此，自花授粉植物能否順利受精、產(chǎn)生后代種子，主要取決于自身花粉的質(zhì)量與數(shù)量。
2025年4月14日，北京大學生命科學學院、北大-清華生命科學聯(lián)合中心瞿禮嘉/鐘聲團隊（博士生劉璞、全鑫、宋子菡博士為共同第一作者）在國際頂尖學術(shù)期刊 Cell 上發(fā)表了題為：A two-step self-pollination mechanism maximizes fertility in Brassicaceae 的研究論文。
該研究首次發(fā)現(xiàn)了十字花科自花授粉植物中保守存在的“兩步授粉”機制，并解析了該授粉策略對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學意義。
在這項最新研究中，研究團隊發(fā)現(xiàn)，在模式植物擬南芥中存在一種全新的“兩步授粉”機制，即：第一次授粉發(fā)生在未開放的花中，雌雄蕊首次接觸實現(xiàn)了柱頭側(cè)邊緣的授粉；而開花 6-7 小時之后花瓣會再次閉合，使得花藥與柱頭再次接觸，并實現(xiàn)對柱頭中央?yún)^(qū)域的授粉。這種對于柱頭不同區(qū)域的第二次授粉依賴于雌雄蕊的交替伸長，顯著提高了柱頭授粉面積的利用率。但有意思的是，他們發(fā)現(xiàn)，在正常的植物生長條件下，第一次授粉就完全可以保證植物獲得正常的后代種子數(shù)量，既然如此，那么為何植物還要進行第二次授粉呢？
隨著進一步的探究，研究團隊發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境脅迫和自身發(fā)育導致的花粉數(shù)量或質(zhì)量受限的情況下，與只有一次授粉相比，具有時空差異的第二次授粉可以通過增加柱頭上的授粉量，對那些一次授粉后未能成功受精的胚珠進行補償受精。他們還發(fā)現(xiàn)，這種類似的“兩步授粉”機制在另外兩個自花授粉的十字花科植物淡紅薺（Capsella rubella）和彎曲碎米薺（Cardamine flexuosa）中也存在，表明該機制可能是一種廣泛存在于自花授粉植物中的保守授粉策略，其作為植物應(yīng)對環(huán)境脅迫和保障繁殖成功的適應(yīng)性策略可能具有普遍性。
有趣的是，這種授粉機制在十字花科異花授粉的植物琴葉擬南芥（Arabidopsis lyrata）和白菜（Brassica rapa）中沒有觀察到。這種在十字花科自花授粉植物中新觀察到的“兩步授粉”機制以及其作為植物一種“未雨綢繆”應(yīng)對逆境、保障繁衍的備份策略，為逆境下農(nóng)作物的增產(chǎn)實踐提供了新的思路。
值得一提的是，傳粉后，被子植物有性生殖過程的順利進行還依賴于雌雄互作多個節(jié)點的正確交流和識別。作為第一批入選“新基石研究員”的植物學家，瞿禮嘉教授及其團隊歷時十余年的努力，逐一解析了從傳粉后花粉管與柱頭識別過程中花粉管如何穿透柱頭的分子機制（Lan et al., Cell, 2023），到花粉管穿透柱頭后花粉管導向過程中同種花粉管如何實現(xiàn)“同種花粉優(yōu)先”占據(jù)受精機會的分子機制（Zhong et al., Science, 2019），再到花粉管導向進入胚珠后如何被識別并最終爆裂釋放精細胞的分子開關(guān)（Ge et al., Science, 2017），最后揭示了植物如何通過信號識別保證花粉管順利進入胚珠并爆裂，同時還闡明了植物如何實現(xiàn)"防止多精受精"與"受精補償"這兩個關(guān)鍵生物學過程之間的動態(tài)協(xié)調(diào)的分子機制（Zhong et al., Science, 2022）。瞿禮嘉/鐘聲團隊多年來系統(tǒng)性的研究成果（Zhong et al., Annu Rev Plant Biol, 2025），不僅加深了人們對于被子植物有性生殖過程的理解，還為未來打破生殖障礙、實現(xiàn)遠緣雜交提供了新的思路，為保障糧食安全和豐富植物的遺傳多樣性提供了重要的理論支撐。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00294-6
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