玉米、水稻、小麦、甘蔗——草科包含许多物种，它们是人类重要的食物来源，已经培育和栽培了数千年。野生动物和农场动物也严重依赖草作为饲料：牛、羊、马以及野牛、鹿和斑马主要吃草。瑞士几乎70%的农业面积是草地。

草如何避免近亲繁殖

然而，种草本身就很困难。像许多其他开花植物一样，草已经进化出一种防止自花授粉后近亲繁殖的机制。专家称这种机制为“自相容性”。它确保植物本身或密切相关个体的花粉不会向卵巢生长并使卵细胞受精。这可以防止近亲繁殖及其所有后果。

对于植物育种，自交不亲和可能是一个缺点。它不仅使纯合品系的发育复杂化，而且还会影响两个密切相关的个体的授粉。这使得通过杂交育种实现所需植物特性的育种进展变得更加困难。为了能够利用不同的植物育种策略，对自交不亲和性的精确了解是必不可少的。

草类自交不亲和基因首次破译

对草中自交不亲和性的遗传组成知之甚少。在1960年代，植物科学家发现自交不亲和性是由两个独立的基因组区域(基因座)控制的。但利用当时可用的方法，研究人员无法确定实际涉及哪些基因。

现在，由分子植物育种教授BrunoStuder领导的研究人员首次能够识别导致自交不亲和的基因并确定其核酸序列。他们在多年生黑麦草(LoliumperenneL.)中做到了这一点，黑麦草是世界上最重要的饲料和草坪草种之一。

该研究发表在《分子生物学与进化》杂志上。

Studer与来自丹麦、威尔士和美国的合作者一起致力于该课题超过15年。2006年，他发现了降低牧草种子产量的基因。他正在寻找相反的东西：增加种子产量的基因。他后来发现的基因在自我不相容中发挥了作用。2017年，Studer和他的团队将这两个基因座缩小到几个潜在的候选基因。现在，他们已经对有效构成基因座并控制自交不亲和性的三个基因进行了精确描述。

“这一突破是由基因组分析技术的进步促成的。只是在最近几年，这些技术才使得对单个生物体的整个基因组进行有效测序成为可能，”他说。

这些发现不仅为牧草开辟了新的育种可能性，也为供人类消费的重要自花授粉草类作物(如水稻或大麦)开辟了新的育种可能性。如果已知自交不相容的基因，就可以以特定的方式对其进行操作。关闭它们可以开发近交系。另一种方法是将基因插入已经失去自交不亲和性的草的基因组中，以培育出遗传多样化的种群。对于Studer来说，有一件事是明确的：“对这些基因的了解为我们提供了控制这种机制并将其用于育种的重要基础。”

用于测试多年生黑麦草(黑麦草)自交不亲和性的体外授粉试验。图片来源：苏黎世联邦理工学院

两个遥远基因座的相互作用

本质上，自交不亲和性是基于位于不同染色体上的两个基因座(S基因座和Z基因座)的相互作用。

这些基因是三种不同蛋白质的蓝图，它们形成了一种锁匙机制，可以识别落在柱头上的花粉在遗传上是相似的还是无关的。这会发出一个信号，要么中止受精过程，要么继续完成。

Studer和他的团队目前正在研究这些蛋白质的结构以及它们如何相互作用以区分外来花粉和植物自身的花粉。为此，他们使用特殊的人工智能方法根据基因序列对相应蛋白质的结构进行建模，以及预测这些分子之间相互作用的模型。

独特的自不相容机制

此外，研究人员还研究了基于两个位点的自交不亲和性如何在草科植物中进化，因为其他植物科已知的所有其他机制都仅基于一个位点。很可能在草类的进化史中，Z基因座最初是复制的，然后该副本经历了无数次突变，导致了多样化。

“我们现在已经对许多草类植物中的两个基因座进行了测序。我们发现，S基因座往往具有较低的序列变异并且仍在多样化，而Z基因座变化不大。从这个我们得出结论，从进化的角度来看，Z基因座可能更古老，”Studer解释道。

通过追踪草的系统发育，研究人员还了解了基因座复制何时发生以及物种何时彼此分化。此外，系统发育树揭示了哪些草没有进行基因座复制，哪些物种失去了自交不亲和性，例如通过突变。

但是基于两个基因座的自交不亲和性的进化优势是什么?“乍一看，我们认为它为草科植物开辟了更多的可能性和灵活性来识别自己的花粉，”斯图德说。这对草科来说可能很重要，草科有16,000种，分布在各大洲，是世界上最大、最成功的植物科之一。