多倍化是驱动生物进化与物种形成的重要力量。目前普遍认为，生物界的大多数多倍体均系由2n配子融合而成。诸多研究显示，在极端气候条件下，自然生境中多倍体植物的比例往往更高，这暗示低温环境胁迫可诱导2n配子的产生。尽管植物育种学家曾开展过辣椒、日本柿子等物种的2n花粉低温诱导，但由于不同物种对低温胁迫的敏感性差异大且2n花粉低温诱导技术不成熟，至今鲜有低温诱导获得植物多倍体的报道。

近日，生物学院张平冬教授团队在国际期刊《BMC Plant Biology》在线发表题为2n pollen production by extreme low temperature-induced failure of male post-meiotic cytokinesis in Populus的研究论文。该研究不仅揭示了极端低温处理（ELT）通过干扰花粉母细胞辐射状微管（RMA）的生物合成诱导木本植物2n花粉形成的细胞学机制，还建立了低温诱导杨树花粉染色体加倍创制三倍体的技术体系。研究结果为植物多倍体育种提供了一种可靠、安全且高效的方法，同时也为理解极端环境胁迫驱动林木多倍化的细胞学机制提供了新视角。

研究团队以山西朔州的毛白杨雄株无性系145为研究材料，在掌握花粉母细胞减数分裂规律的基础上，首先开展花粉母细胞不同减数分裂时期对低温处理的敏感性差异研究，筛选出低温诱导2n花粉的适宜温度为-13℃至-7℃。在此基础上，团队利用-13℃至-7℃的低温，对处于不同减数分裂时期（中期Ⅰ、前期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ和末期Ⅱ）的花粉母细胞分别进行3 h-5 h的持续处理，开展了低温诱导毛白杨花粉染色体加倍技术条件的优化研究。筛选出利用-13 ℃的低温对发育至减数分裂中期Ⅱ的花粉母细胞进行5 h的持续处理是低温诱导毛白杨花粉染色体加倍的最佳处理组合，2n花粉诱导率达31.11%。为了验证该方法的稳定性，团队在银腺杨‘84K’中进行重复试验，获得了10.45 % ~ 39.17 %的2n花粉诱导率，说明利用低温诱导毛白杨花粉染色体加倍获得2n花粉的技术具有通用性。利用低温诱导获得毛白杨、银腺杨2n花粉分别进行杂交，创制白杨三倍体26株。三倍体诱导率最高可达20.0%。相关研究成果还曾获得国家发明专利1件，在《北京林业大学学报》发表论文2篇。

图1 低温诱导获得的毛白杨和银腺杨2n花粉

图2 授权国家发明专利及北京林业大学学报发表论文

为了进一步揭示低温诱导毛白杨产生2n花粉的细胞学机理，团队开展了低温处理对花粉母细胞减数分裂染色体行为和微管骨架的影响研究。发现低温处理可影响减数分裂末期II相邻子核之间辐射状微管的生物合成，导致胞质分裂、细胞板形态建成异常，四分体阶段产生大量二分体，最终发育形成2n花粉。

图3 低温对毛白杨花粉母细胞减数分裂微管骨架的影响

团队博士研究生杜嘉华为论文第一作者，生物学院张平冬教授为通讯作者。团队硕士生龙美玲、解云云、曹懂梁以及博士生马乐洵、李亮、程大伟、孔博、赵一帆等参与了研究工作。生物学院康向阳教授对部分研究提供了技术指导。该研究工作得到了“十四五”国家重点研发计划项目（2022YFD2200301、2021YFD2200105）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1186/s12870-026-09409-6

作者：杜嘉华、张平冬

审稿人：杜庆章