2025年4月14日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心瞿禮嘉/鐘聲團(tuán)隊(duì)在Cell在線發(fā)表了題為A two-step self-pollination mechanism maximizes fertility in Brassicaceae的研究論文，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(jī)制，并解析了該授粉策略對(duì)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(xué)意義。

作為陸地植被的最大類群，被子植物有性生殖過(guò)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(guò)程），作為被子植物有性生殖過(guò)程中雌雄互作的起點(diǎn)，是整個(gè)有性生殖過(guò)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(lái)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(dòng)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(jì)，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，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（如鮮艷的花色、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(hù)不同，自花授粉植物的雄配子體（花粉）隨時(shí)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。

該研究發(fā)現(xiàn)，在模式植物擬南芥中存在一種全新的“兩步授粉”機(jī)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(shí)現(xiàn)了柱頭側(cè)邊緣的授粉；而開花6-7小時(shí)之后花瓣會(huì)再次閉合，使得花藥與柱頭再次接觸，并實(shí)現(xiàn)對(duì)柱頭中央?yún)^(qū)域的授粉。這種對(duì)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(zhǎng)，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(zhǎng)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(jìn)行第二次授粉呢？

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境脅迫和自身發(fā)育導(dǎo)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(shí)空差異的第二次授粉可以通過(guò)增加柱頭上的授粉量，對(duì)那些一次授粉后未能成功受精的胚珠進(jìn)行補(bǔ)償受精。這種類似的“兩步授粉”機(jī)制在另外兩個(gè)自花授粉的十字花科植物淡紅薺（

Capsella rubella

Cardamine flexuosa

Arabidopsis lyrata

Brassica rapa

值得一提的是，傳粉后，被子植物有性生殖過(guò)程的順利進(jìn)行還依賴于雌雄互作多個(gè)節(jié)點(diǎn)的正確交流和識(shí)別。作為第一批入選“新基石研究員”的植物學(xué)家，瞿禮嘉教授及其團(tuán)隊(duì)歷時(shí)十余年的努力，逐一解析了從傳粉后花粉管與柱頭識(shí)別過(guò)程中花粉管如何穿透柱頭的分子機(jī)制（Lan et al., Cell, 2023），到花粉管穿透柱頭后花粉管導(dǎo)向過(guò)程中同種花粉管如何實(shí)現(xiàn)“同種花粉優(yōu)先”占據(jù)受精機(jī)會(huì)的分子機(jī)制（Zhong et al., Science, 2019），再到花粉管導(dǎo)向進(jìn)入胚珠后如何被識(shí)別并最終爆裂釋放精細(xì)胞的分子開關(guān)（Ge et al., Science, 2017），最后揭示了植物如何通過(guò)信號(hào)識(shí)別保證花粉管順利進(jìn)入胚珠并爆裂，同時(shí)還闡明了植物如何實(shí)現(xiàn)"防止多精受精"與"受精補(bǔ)償"這兩個(gè)關(guān)鍵生物學(xué)過(guò)程之間的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)的分子機(jī)制（Zhong et al., Science, 2022）。瞿禮嘉/鐘聲團(tuán)隊(duì)多年來(lái)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(duì)于被子植物有性生殖過(guò)程的理解，還為未來(lái)打破生殖障礙、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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。

北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院瞿禮嘉教授和鐘聲研究員為論文的共同通訊作者，博士研究生劉璞、全鑫及已畢業(yè)的宋子菡博士為論文的共同第一作者。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00294-6