关注森林网

https://mp.weixin.qq.com/s/fdrKFf-FT7sSkhtMHOXOFA

Science Advances|甘蓝型油菜中可显著提高含油量的稀有显性黄籽基因的克隆。甘蓝型油菜是我国最为重要的油料作物之一。已有研究显示，黄籽油菜在遗传背景近似情况下较黑籽油菜种子含油量更高，而木质纤维素含量更低。但是，目前已知的大多数控制黄籽性状的基因均为隐性，影响了黄籽油菜品种的培育。

近日，国内研究团队通过eQTL，QTL精细定位以及转录组等多组学联合分析，在黄色籽粒材料N53-2中克隆了显性黄籽、且可提高种子含油量的基因(dominant gene of yellow seed coat color and improved seed oil content 1, DYSOC1)。相关研究以标题“A rare dominant allele DYSOC1 determines seed coat color and improves seed oil content in Brassica napus”发表Science子刊Science Advances上。据悉，这是我国研究团队首次在该期刊上发表与Brassica napus相关的第1篇研究论文。

该研究首先将N53-2和黑色种皮的品系（品种）杂交，明确了N53-2具有黄籽基因，且其表现为显性性状。课题组前期通过由N53-2和黑籽材料Ken-C8杂交F1经过小孢子培养获得的KN DH群体进行QTL分析，获得了同时调控含油量和种皮色泽的主效QTL位点。后续eQTL分析显示，在A09末端存在包含4935个trans-eQTL的hotspot区，该hotspot与前期在A09获得的种子含油量、种皮颜色和木质纤维素主效QTL位点uqA9-9共定位。

通过多组学方法确定主效位点后，在BC5F2中进一步通过精细定位将该主效QTL所在区域定位至70 kb。近等基因系中NILN53-2和NILKen-C8株系的种子含油量、种皮颜色和木质纤维素含量均存在显著差异，且uqA9-9位点杂合子种子表型与N53-2纯合子一致，这说明该位点包含显性黄籽基因，且同时影响含油量和木质纤维素含量。结合不同近等基因系间的转录组结果和候选区间内的基因序列在亲本间序列差异分析，获得了候选基因BnaA09g44670D，并根据其对种子表型的影响，将其命名为DYSOC1。

为对DYSOC1的进行功能分析，研究人员在黑籽品系Ken-C8和J9709两个甘蓝型油菜材料中分别进行了回补实验。通过多代的阳性鉴定获得了遗传稳定的转基因株系，结果显示转基因纯系种子种皮变黄，同时种子含油量分别提高了9.91%和10.05%；并且，种子木质纤维素、原花青素、种皮厚度和皮壳率显著下降。在黄籽N53-2中敲除DYSOC1则获得了预期的相反结果（图3）。

图3. Ken-C8转基因系及其野生型种皮性状等结果。

为解析DYSOC1对影响种皮色泽的影响，对转基因系的种皮进行了转录组和代谢组联合分析，结果表明，黄酮类化合物和酚酸类化合物在回补株系中显著下调。转录组结果表明，种皮中DEGs显著富集到苯丙烷途径和黄酮类化合物合成路径上，且这些基因显著下调；同时，多个上述路径的正向调控TFs也在种皮中被显著下调。基因表达部位研究表明，DYSOC1在种皮、角果皮等部位特异性高表达（图4）。

图4. J9709转基因系及其野生型成熟种皮中差异代谢物分析和基因表达模式等。

群体单倍型分析表明，DYSOC1在甘蓝型油菜自然群体中存在至少五种主要单倍型和五种稀有单倍型。其中，只有HapN53-2与黄色种皮完全连锁，并且HapN53-2株系的种子含油量显著高于其他单倍型，种子木质纤维素含量则显著低于其他单倍型。HapN53-2株系仅占自然群体全部株系的0.56%，表明其尚未被广泛应用于甘蓝型油菜育种（图5）。

图5. 甘蓝型油菜自然群体中DYSOC1的单倍型及其数量分布（A）；自然群体中各DYSOC1单倍型株系的种子含油量（B）和木质纤维素含量（C~E）。

为评价DYSOC1的潜在育种价值，研究团队进一步将黄籽油菜材料N53-2与黑籽商业化品种ZS11（HapKen-C8）进行了杂交，并构建了F2群体。结果显示，在F2群体中，F2N53-2的种皮颜色更浅，中双11相比（F2ZS11），种子含油量提高了4.04%，且种子木质纤维素含量也显著下降；杂合子的表型与F2N53-2相一致。研究团队还考察了不同单倍型近等基因系的产量相关性状，NILN53-2和NILKen-C8的产量没有显著差异。基于以上研究结果，研究团队认为DYSOC1可有效用于现有黑籽甘蓝型油菜品种的遗传改良，并可直接用于黄色种皮、种子高含油量和低种子木质纤维素含量甘蓝型油菜的培育。

基于以上结果，研究团队提出了两种利用DYSOC1进行种子高含油量甘蓝型油菜育种的策略，分别培育黄色种皮（萌发更快）和黑色种皮（抗逆性更强）的甘蓝型油菜F1杂交种。同时，两种杂交种均可用于黄籽、种子高含油量和种子低木质纤维素含量油菜籽生产（图6）。本研究为进一步提高甘蓝型油菜种子含油量和黄籽油菜育种提供了新的基因资源和种质资源。

图6. 利用DYSOC1进行杂交育种的示意图。

华中科技大学生命科学与技术学院博士研究生李怀鑫和吴明丽为第一作者，华中科技大学生命科学与技术学院栗茂腾教授和华中农业大学植物科学技术学院张椿雨教授为通讯作者，华中科技大学为第一作者通讯单位。本研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。