段巧红：获取大白菜育种的通关秘钥

编者按

“中国青年女科学家奖”是欧莱雅和联合国教科文组织“为投身于科学的女性”计划在中国的发展和延伸，由中华全国妇女联合会、中国科学技术协会、中国联合国教科文组织全国委员会以及欧莱雅中国于2004年联合设立，已成为专门面向广大女科技工作者的全国性奖项。截止第19届，共有204位女科学家脱颖而出，她们弘扬科学家精神，矢志科技报国。女科学家，一代耀一代。

果壳采访了第十九届“中国青年女科学家奖”的部分获奖女科学家，让我们一起听听她们与科学的故事。

被采访者：

段巧红 山东农业大学教授/大白菜育种

大白菜，是中国人饭桌上非常常见的蔬菜。我们很难想象，这种最平常的蔬菜，还需要科学家在实验室里做研究，甚至存在难以攻关的科学问题和技术问题。而山东农业大学的段巧红就是研究大白菜，发表创新理论并开展育种技术应用的人。

抉择的路口，总选难走的

2000年，段巧红从四川大学毕业，本可以在本校保研的她，选择参加研究生统一招考，因为她要考北大！凭借努力和性格里的韧劲，段巧红最终被北京大学录取，加入许智宏院士团队，从事植物有性生殖研究，她的研究对象是黄瓜。段巧红对有性生殖机制充满好奇：黄瓜的性别是怎么分化的？生产上常用乙烯利提高雌花率的方法，它背后的原理是什么？这些问题驱使着段巧红在科研上一再深入。

拿到博士学位的段巧红又一次面临选择：加入大团队，压力小而稳定；出国深造，未来如何充满机遇和挑战。这一次，段巧红仍旧没怎么犹豫，她想，有性生殖研究还有那么多没搞清楚的事呢，如果能在知名学者实验室得到系统的博士后训练，就更有希望独立开展创新性的科研工作。她选择了去马萨诸塞大学，师从植物有性生殖领域国际知名学者Alice Cheung教授。在这里，段巧红开始以拟南芥为对象，研究十字花科植物的受精机理。博士后期间，她系统解析了花粉管进入胚珠后破裂，释放精细胞，完成双受精的调控机理，研究成果以第一作者在Nature Communications、PNAS等期刊上发表。

2017年，段巧红来到蔬菜大省山东，在山东农业大学成立大白菜育种团队，开展蔬菜生殖机理与育种应用工作。在博士后研究的基础之上，2020年，段巧红率领团队解析了植物防止多个花粉管进入同一个胚珠，以维持遗传稳定性的调控机理，研究成果以第一作者在Nature上发表。

对于大白菜育种工作，有性生殖机制研究必不可少

为什么做大白菜育种？

大白菜原产我国华北，古代称“黄芽菜”，经历了上千年的演化，形成了适合各地生态的800多个品种。作为北方冬储数量最大的蔬菜，大白菜全年播种面积约2700万亩，约占全国蔬菜总播种面积的14.4%。

说起大白菜，段巧红津津乐道：“原来只能冬天吃白菜，现在你春天和夏天也想吃，另外也需要大白菜有不同的风味，或者富含不同的营养物质， 比如现在有富含花青素的紫色大白菜，所以不断要有新品种去实现它呀。”段巧红解释，“另一方面，也要培育出适应高温、低温、盐碱地和气候变化的品种。病虫害也在不断变化，也得通过育种让大白菜去适应环境的变化。”这就要求创制新的种质资源，培育新品种，而只有提高育种效率才能适应现代多样化的一直在改变的需求。

搞清大白菜“近亲不结婚”机制

大白菜这种十字花科植物的典型特征就是具有自交不亲和性。段巧红解释道：“人类近亲生育，后代就容易生病，所以人们避免近亲结婚。植物为了让后代保持遗传多样性，适应环境，也有一套机制来抑制自花受精，这就是自交不亲和性。”但是，“要做杂交育种，就得先有纯和的自交不亲和系作为亲本，”但天生自交不亲和的大白菜，极难产生自交种子，一亩地有很多时候连一斤种子都收不到。这导致亲本选择上的瓶颈，即使这个种质资源的综合性状非常好，却由于自交繁种困难而不能作为亲本，育种学家们也不得不忍痛割爱。

得益于段巧红在博士和博后期间对植物有性生殖过程的系统性研究，她很快就发现在活性氧参与大白菜自交不亲和过程。大白菜柱头在自花花粉的刺激下产生大量具有杀伤力的活性氧，抑制自花花粉生长；而在异花授粉的过程中，柱头活性氧降低，以支持异花花粉的生长。她们进一步研究发现，清除柱头活性氧，就能有效打破大白菜自交不亲和，促进自花花粉的生长。在理论的支持下，她们开发了打破自交不亲和的育种技术，制种成本降低60%以上，显著提升了大白菜等十字花科蔬菜的育种效率。

段巧红在大白菜地里指导学生

打破大白菜“生殖隔离”

大白菜自交可以通过打破自交不亲和实现，那不同种植物之间的远缘杂交行不行呢？由于物种间存在生殖隔离，受精困难使得远缘杂交胚胎很难形成，而一旦形成远缘杂交胚胎，就可以通过胚胎挽救得到杂交植株。传统远缘杂交育种主要通过广泛测交来选择杂交亲本，但这种方式费工、费力并且杂交效率极低甚至为零。因此要打破生殖隔离，解决远缘杂交育种领域的“卡脖子”难题，需要进一步理解十字花科蔬菜作物远缘杂交生殖隔离的调控机理。

段巧红团队发现，大白菜柱头的活性氧，也通过一套复杂的机制，抑制不同种属间的花粉。

2023年1月，段巧红以通讯作者身份在Nature发表最新成果，研发了打破远缘杂交生殖隔离的育种技术，获得了大白菜的种间、属间远缘杂交胚。段巧红说：“我们克服了大白菜和具有抗虫特性的欧洲山芥之间的受精障碍，得到了远缘杂交胚胎。我们正在大量开展胚胎挽救工作，非常有希望能得到抗虫的大白菜种质和新品种！”

段巧红课题组合影

顶刊背后

2017年8月，段巧红回国，加入山东农业大学建立大白菜育种团队。

彼时，段巧红的实验室刚刚开始运行，连科研仪器都没有，团队里只有3位硕士生。段巧红琢磨着，这个季节，大白菜不是很好买吗？她以前没有研究过大白菜，就想借此机会观察下大白菜受精过程是怎样的，于是从外面买了几颗，在办公室窗台上腾出个地方，养起了白菜花。做大白菜生殖机理研究，需要有不间断的白菜花。有一次，为了开展课题，段巧红指挥课题组的同学从超市买大白菜搬回实验室做预试验，一次就要买二十几颗白菜。几人雄赳赳气昂昂，扛着大白菜从超市出来，路过的人特别震惊，追问超市里大白菜是不是在搞促销。

段巧红还有个“大白菜生长时钟”。

2018年春季开始，段巧红团队有了大棚，除了夏季的6-9月太热，不能种植大白菜，其他季节都可以大量种植了。研究大白菜生殖就要等它开花，由于大白菜从种下去到开花需要三四个月，可万一实验失败，大白菜花开过了，就要重新花几个月时间才能等到开花。为了持续有大白菜花可研究，段巧红团队的第一要务，就是要严格按照“大白菜生长时钟”为研究做好基本的材料保障工作，每20天就会播种一次，每次种200多株……

泰安春季的清晨，连空气都是湿漉漉的。凌晨六点，天还没完全亮，段巧红已经走进大白菜试验田开始授粉工作，她得赶在太阳出来，大白菜花开始散粉前完成这些工作。

采访：杨婧

撰文：何婧雯

编辑：吴欧

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