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Science Advances|甘藍(lán)型油菜中可顯著提高含油量的稀有顯性黃籽基因的克隆。甘藍(lán)型油菜是我國(guó)最為重要的油料作物之一。已有研究顯示，黃籽油菜在遺傳背景近似情況下較黑籽油菜種子含油量更高，而木質(zhì)纖維素含量更低。但是，目前已知的大多數(shù)控制黃籽性狀的基因均為隱性，影響了黃籽油菜品種的培育。

近日，國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)eQTL，QTL精細(xì)定位以及轉(zhuǎn)錄組等多組學(xué)聯(lián)合分析，在黃色籽粒材料N53-2中克隆了顯性黃籽、且可提高種子含油量的基因(dominant gene of yellow seed coat color and improved seed oil content 1, DYSOC1)。相關(guān)研究以標(biāo)題“A rare dominant allele DYSOC1 determines seed coat color and improves seed oil content in Brassica napus”發(fā)表Science子刊Science Advances上。據(jù)悉，這是我國(guó)研究團(tuán)隊(duì)首次在該期刊上發(fā)表與Brassica napus相關(guān)的第1篇研究論文。

該研究首先將N53-2和黑色種皮的品系（品種）雜交，明確了N53-2具有黃籽基因，且其表現(xiàn)為顯性性狀。課題組前期通過(guò)由N53-2和黑籽材料Ken-C8雜交F1經(jīng)過(guò)小孢子培養(yǎng)獲得的KN DH群體進(jìn)行QTL分析，獲得了同時(shí)調(diào)控含油量和種皮色澤的主效QTL位點(diǎn)。后續(xù)eQTL分析顯示，在A09末端存在包含4935個(gè)trans-eQTL的hotspot區(qū)，該hotspot與前期在A09獲得的種子含油量、種皮顏色和木質(zhì)纖維素主效QTL位點(diǎn)uqA9-9共定位。

通過(guò)多組學(xué)方法確定主效位點(diǎn)后，在BC5F2中進(jìn)一步通過(guò)精細(xì)定位將該主效QTL所在區(qū)域定位至70 kb。近等基因系中NILN53-2和NILKen-C8株系的種子含油量、種皮顏色和木質(zhì)纖維素含量均存在顯著差異，且uqA9-9位點(diǎn)雜合子種子表型與N53-2純合子一致，這說(shuō)明該位點(diǎn)包含顯性黃籽基因，且同時(shí)影響含油量和木質(zhì)纖維素含量。結(jié)合不同近等基因系間的轉(zhuǎn)錄組結(jié)果和候選區(qū)間內(nèi)的基因序列在親本間序列差異分析，獲得了候選基因BnaA09g44670D，并根據(jù)其對(duì)種子表型的影響，將其命名為DYSOC1。

為對(duì)DYSOC1的進(jìn)行功能分析，研究人員在黑籽品系Ken-C8和J9709兩個(gè)甘藍(lán)型油菜材料中分別進(jìn)行了回補(bǔ)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)多代的陽(yáng)性鑒定獲得了遺傳穩(wěn)定的轉(zhuǎn)基因株系，結(jié)果顯示轉(zhuǎn)基因純系種子種皮變黃，同時(shí)種子含油量分別提高了9.91%和10.05%；并且，種子木質(zhì)纖維素、原花青素、種皮厚度和皮殼率顯著下降。在黃籽N53-2中敲除DYSOC1則獲得了預(yù)期的相反結(jié)果（圖3）。

圖3. Ken-C8轉(zhuǎn)基因系及其野生型種皮性狀等結(jié)果。

為解析DYSOC1對(duì)影響種皮色澤的影響，對(duì)轉(zhuǎn)基因系的種皮進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組和代謝組聯(lián)合分析，結(jié)果表明，黃酮類(lèi)化合物和酚酸類(lèi)化合物在回補(bǔ)株系中顯著下調(diào)。轉(zhuǎn)錄組結(jié)果表明，種皮中DEGs顯著富集到苯丙烷途徑和黃酮類(lèi)化合物合成路徑上，且這些基因顯著下調(diào)；同時(shí)，多個(gè)上述路徑的正向調(diào)控TFs也在種皮中被顯著下調(diào)?；虮磉_(dá)部位研究表明，DYSOC1在種皮、角果皮等部位特異性高表達(dá)（圖4）。

圖4. J9709轉(zhuǎn)基因系及其野生型成熟種皮中差異代謝物分析和基因表達(dá)模式等。

群體單倍型分析表明，DYSOC1在甘藍(lán)型油菜自然群體中存在至少五種主要單倍型和五種稀有單倍型。其中，只有HapN53-2與黃色種皮完全連鎖，并且HapN53-2株系的種子含油量顯著高于其他單倍型，種子木質(zhì)纖維素含量則顯著低于其他單倍型。HapN53-2株系僅占自然群體全部株系的0.56%，表明其尚未被廣泛應(yīng)用于甘藍(lán)型油菜育種（圖5）。

圖5. 甘藍(lán)型油菜自然群體中DYSOC1的單倍型及其數(shù)量分布（A）；自然群體中各DYSOC1單倍型株系的種子含油量（B）和木質(zhì)纖維素含量（C~E）。

為評(píng)價(jià)DYSOC1的潛在育種價(jià)值，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將黃籽油菜材料N53-2與黑籽商業(yè)化品種ZS11（HapKen-C8）進(jìn)行了雜交，并構(gòu)建了F2群體。結(jié)果顯示，在F2群體中，F(xiàn)2N53-2的種皮顏色更淺，中雙11相比（F2ZS11），種子含油量提高了4.04%，且種子木質(zhì)纖維素含量也顯著下降；雜合子的表型與F2N53-2相一致。研究團(tuán)隊(duì)還考察了不同單倍型近等基因系的產(chǎn)量相關(guān)性狀，NILN53-2和NILKen-C8的產(chǎn)量沒(méi)有顯著差異?；谝陨涎芯拷Y(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為DYSOC1可有效用于現(xiàn)有黑籽甘藍(lán)型油菜品種的遺傳改良，并可直接用于黃色種皮、種子高含油量和低種子木質(zhì)纖維素含量甘藍(lán)型油菜的培育。

基于以上結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)提出了兩種利用DYSOC1進(jìn)行種子高含油量甘藍(lán)型油菜育種的策略，分別培育黃色種皮（萌發(fā)更快）和黑色種皮（抗逆性更強(qiáng)）的甘藍(lán)型油菜F1雜交種。同時(shí)，兩種雜交種均可用于黃籽、種子高含油量和種子低木質(zhì)纖維素含量油菜籽生產(chǎn)（圖6）。本研究為進(jìn)一步提高甘藍(lán)型油菜種子含油量和黃籽油菜育種提供了新的基因資源和種質(zhì)資源。

圖6. 利用DYSOC1進(jìn)行雜交育種的示意圖。

華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士研究生李懷鑫和吳明麗為第一作者，華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院栗茂騰教授和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院張椿雨教授為通訊作者，華中科技大學(xué)為第一作者通訊單位。本研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。