对自交不亲和植物而言，其与自交亲和植物在空间、时间和传粉方式上均存在不同。在空间上，自交不亲和植物的雄花和雌花分别出现在不同的植株上或不同的花序上以避免自交。在时间上，自交不亲和植物的雄花和雌花在不同的时间点成熟，从而减少自交的可能性。在传粉方式上，许多自交不亲和植物依赖动物媒介进行传粉，通过吸引不同的传粉者，以降低自交的频率。

在自交不亲和过程中，涉及植物的雌蕊对“自已”和“异已”花粉的识别，这种识别通常是由单个高度多态性遗传位点S位点（在某些科中是两个或多个S位点）控制的，S位点包含了紧密连锁的雌蕊决定因子和花粉决定因子，整个S位点是一个完整的遗传单元，被称为S单体型。当雌蕊-花粉相互识别时，如果雌蕊和花粉具有相同的S单体型，会迅速启动一系列的信号转导，导致雌性器官不接受自已的花粉，反之，如果雌蕊和花粉具有不同的S单体型，则受精过程正常进行。

表1 不同植物的自交不亲和类型(信息来自Zhang et al., 2024)。

备注：表中所列为该科代表性物种的自交不亲和机制，每个科中仍可能存在差异，具体的物种具体分析。“？”指目前的研究还不是十分确定为该因子。

现在咱们来了解一下同型自交不亲和中的GSI和SSI（图1）。GSI的花粉亲和与否，由单倍体花粉（即配子体）自身的S基因型决定，与亲本的基因型无关，胚珠和花粉为相同的S单体型时会表现出不亲和，其大部分表现为花粉可以正常的水合、萌发及花粉管穿过柱头，但在花柱中，花粉管发生破裂因而不能到达胚珠。而SSI的花粉亲和与否的表型由产生花粉的二倍体亲本（即孢子体）的S基因型决定，与配子体的基因型无关，SSI反应主要发生在柱头表面，表现为花粉落到柱头上引发柱头表面产生胼胝质以阻碍花粉穿过柱头乳突细胞。

图1 GSI和SSI的模式图(Bachmann JA, 2020)。亲本的S位点基因型在图中用S_nS_n表示。（A）在GSI系统中，只有雌雄配子的基因型一致时，才会产生自交不亲和的表型：左侧为不亲和自花授粉，花粉管生长受阻，右侧为不同S单体型个体之间的异花授粉，中间因其有一个不同的S单体型因而发生部分亲和，导致花粉管发育阻滞；（B）在SSI系统中，由花药绒毡层和柱头乳突细胞的基因型决定自交不亲和的表型：左侧为不亲和自花授粉，右侧为不同S单体型个体之间的异花授粉，中间因其有一个相同的S单体型因而导致不亲和，花粉不萌发。

在长期进化中，不同物种形成了不同的自交不亲和反应途径和机制，其中有一些被研究得较多，如下图所示。

目前F1代杂交育种的生产途径分别为自交不亲和系和雄性不育系。利用自交不亲和系配制杂种是指利用自交不亲和系做母本，与其他自交不亲和系、自交系或正常品系进行杂交，与利用雄性不育系育种相比，其存在育种程序简单、亲本繁育程序简便、杂种优势强和良种生产成本低等优势。例如，20世纪70年代，我国科学家利用十字花科自交不亲和机制育成了甘蓝型杂交油菜，大幅提高了油菜的产量和品质，同时，自交不亲和机制在甘蓝、大白菜和萝卜等蔬菜育种中也有很好的应用。

但是，当科学家们在利用自交不亲和系选育F1代杂交种时，也无法避免F1代的亲本自交不亲和程度高导致其自身繁种困难这个难题。针对这个现象，可以使用物理、化学等方法处理柱头以克服自交不亲和反应，或者，干扰或敲除自交不亲和相关基因以获得自交亲和系（图3）。

图3 打破自交不亲和的策略(Muñoz-Sanz et al., 2020)。物理方法：对花粉和雌蕊进行辐射、高温处理；利用“花粉蒙导效应”：蒙导花粉（亲和花粉）与不亲和花粉一起授粉到柱头上；化学试剂处理；避免S决定因子的表达；组织培养技术：干扰或敲除植株里的自交不亲和相关基因。

 

基因编辑自交不亲和相关基因在农业上的应用

伯小远在这里介绍两种情况：一种情况是，在自交不亲和的物种中，编辑自交不亲和基因以创制自交亲和系；另一种情况是，在自交亲和的物种中，编辑抑制自交不亲和基因表达的基因以创制自交不亲和系。

编辑自交不亲和基因以创制自交亲和系

马铃薯的研究和生产多以四倍体为主要对象。基因组高度杂合，遗传背景复杂，导致马铃薯的育种周期长，品种更新慢，且马铃薯以块茎进行繁殖，存在储运成本高和脱毒成本高的缺点。欧洲的许多育种公司从十几年前开始大力开展二倍体马铃薯育种研发工作，在我国，由中国农科院黄三文研究员联合其他单位于2017年发起“优薯计划”。建立二倍体马铃薯杂交育种平台，首先需要培育一批纯合的高代自交系才能保证杂交种的一致性，但二倍体马铃薯多为自交不亲和品种，因此需要先解决自交不亲和的问题。马铃薯属于GSI，由表1可知S-RNase基因为其雌蕊决定因子基因。

2018年8月，中国农科院黄三文和张春芝课题组在Nature Plants杂志上发表了一篇题为“Generation of self-compatible diploid potato by knockout of S-RNase”的研究论文，作者通过CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除马铃薯S-RNase基因，使S-RNase蛋白失活，成功创制自交亲和的二倍体马铃薯材料，为马铃薯的品种改良展现了巨大的前景。

图4 敲除S-RNase基因克服马铃薯的自交不亲和(Ye et al., 2018)。（a）对不同S-RNase基因的进化树分析；（b）在二倍体马铃薯材料S15-65的花柱中两个S-RNase等位基因的表达量；（c）S-RNase基因的结构以及敲除植株的突变形式；（d、e）通过苯氨蓝染色观察野生型和敲除植株自交授粉后花粉管的生长情况、坐果情况；（f）T0代自交后对T1代植株中Cas9分离情况的检测，灰色为被检测植株的数目，白色为Cas9-free植株（不含Cas9蛋白的植株）的数目。结果显示，在野生型植株的花柱中，花粉管的延伸受到抑制，在花柱的上半部分停止生长，最终不会结出果实，而在敲除植株的花柱中，花粉管可以正常生长，并延伸到胚珠，在自交授粉后可以结出饱满的果实。同时，对T1代植株的检测表明，S-RNase基因的突变可以传递到下一代，并且可以得到Cas9-free植株。

编辑抑制自交不亲和基因表达的基因以创制自交不亲和系

甘蓝型油菜的祖先白菜和甘蓝是自交不亲和的，但甘蓝型油菜却是自交亲和的。生产上常利用自交不亲和途径选育油菜新品种，如果想创制自交不亲和甘蓝型油菜，可以通过种间杂交或将白菜S位点BrSCR基因引入自交亲和甘蓝型油菜，但前者产生的后代不稳定且需多代回交，后者引入了新基因因而无法得到非转基因品种，因而目前生产上可用的自交不亲和甘蓝型油菜品种很少。通过CRISPR/Cas9基因编辑技术创制自交不亲和甘蓝型油菜是一种很有前景的方法。

2021年5月，华中农业大学马朝芝和戴成课题组在Plant Biotechnology Journal杂志上发表了一篇题为“Generation of novel self-incompatible Brassica napus by CRISPR/Cas9”的研究论文，作者通过研究推测BnS6-Smi2抑制了BnSCR7基因，因而在油菜中通过敲除BnS6-Smi2恢复BnSCR7基因的表达并成功创制了自交不亲和油菜品种。

图5 敲除BnS6-Smi2基因创制自交不亲和甘蓝型油菜(Dou et al., 2021)。（a）BnS6-Smi2基因的结构、序列以及敲除植株的突变形式；（b）野生型326和T1代敲除植株SI-326自花授粉8周后果荚的表型。结果显示，三个SI-326株系的果荚明显短于野生型，甚至许多果荚是空心的，其他的实验显示是由于自交不亲和导致这种现象的产生。

 

一些延伸知识

对自交不亲和相关调控机理的解析为创制新种质提供了重要的理论支撑，近年来有许多发表在顶刊上的文章对此进行了深入研究，并由此扩展到了研究种间、属间的远缘杂交分子机理。

2021年4月，华东师范大学李超课题组在Science杂志上发表了一篇题为“PCP-B peptides unlock a stigma peptide-receptor kinase gating mechanism for pollination”的研究论文，作者以十字花科拟南芥为研究对象，揭示了花粉通过其覆盖物中的PCP-Bγ小肽竞争柱头中的RALF33小肽，进而抑制柱头中RALF33-FER/ANJ受体激酶信号通路维持的ROS水平，从而影响花粉水合和萌发的柱头-花粉识别的分子机理。

2023年1月，山东农业大学段巧红和马萨诸塞大学Alice Y. Cheung课题组合作在Nature杂志上发表了一篇题为“Stigma receptors control intraspecies and interspecies barriers in Brassicaceae”的研究论文，作者揭示了十字花科蔬菜通过调控柱头ROS水平以维持种间生殖隔离的分子机制，并通过外源施加ROS清除剂（Na-SA）、NO供体（GSNO）或使用反义寡核苷酸（AS-ODN）技术成功获得大白菜种间、属间远缘杂交胚，为创制新种质提供了重要思路。

2023年10月，北京大学瞿礼嘉和钟声课题组在Cell杂志上发表了一篇题为“Antagonistic RALF peptides control an intergeneric hybridization barrier on Brassicaceae stigmas”的研究论文，作者在分子水平上解析了拟南芥柱头识别并接受同种花粉而不接受远缘花粉的机制，提出了柱头-花粉间识别与信号交流的“锁-钥模型”，阐明了柱头处的种间、属间生殖障碍形成的机理，完美解释了“花粉蒙导效应”，并可通过施加人工合成的pRALF小肽即“钥匙”到柱头上，即可打开柱头处的“锁”，让远缘花粉穿入柱头以克服生殖障碍，并最终获得了不同属间的远缘杂交胚。

小远叨叨

对于一些研究自交亲和物种（例如水稻、大豆和玉米等）的同学来说，可能对“自交不亲和”的概念会有点难以理解，对自交不亲和现象也会比较疑惑。然而自交不亲和现象在植物中广泛存在，而且近些年对自交不亲和相关机制的研究也是如火如荼，所以在本篇文章中，伯小远介绍了自交不亲和的一些基础知识和扩展知识，并简要介绍了相关重要的论文，希望给大家补充一些背景知识以便更好的理解相关论文中的内容。如果大家有相关更合适的内容的话，欢迎来补充喔。

References：

Bachmann JA (2020) Evolutionary consequences of dominance at the Brassicaceae self- incompatibility locus.

Boris I, Russell L, Kohn JR (2008) Loss of Self‐Incompatibility and Its Evolutionary. INT J PLANT SCI 169: 93-104

Dou S, Zhang T, Tu J, Shen J, Yi B, Wen J, Fu T, Dai C, Ma C (2021) Generation of novel self-incompatible Brassica napus by CRISPR/Cas9. PLANT BIOTECHNOL J 19: 875-877

Muñoz-Sanz JV, Zuriaga E, Cruz-García F, McClure B, Romero C (2020) Self-(In)compatibility Systems: Target Traits for Crop-Production, Plant Breeding, and Biotechnology. FRONT PLANT SCI 11

Ye M, Peng Z, Tang D, Yang Z, Li D, Xu Y, Zhang C, Huang S (2018) Generation of self-compatible diploid potato by knockout of S-RNase. NAT PLANTS 4: 651-654

Zhang D, Li YY, Zhao X, Zhang C, Liu DK, Lan S, Yin W, Liu ZJ (2024) Molecular insights into self-incompatibility systems: From evolution to breeding. PLANT COMMUN 5: 100719