PNAS | 湖南农业大学刘忠松团队揭示油菜黄籽高油的遗传调控机制

植物 种子颜色 作为一种形态特征，表现出广泛变异，且通常与种子的萌发和品质密切相关。在芸薹属植物中，种子颜色多为黑色或褐色，但在芥菜型油菜、白菜型油菜和埃塞俄比亚芥中存在自然变异的 黄色种子 （黄籽） 。前人研究表明，黄籽油菜的含油量显著高于黑/褐籽油菜，因此，黄籽育种也成为了油菜品种选育的一个重要目标。 然而，在油菜中黄色种子形成的分子机制及其高含油量的原因仍不完全清楚，人们对黄籽突变体的确切起源地和突变发生的时间知之甚少。因此，探明其来源对于种质资源收集、保护以及黄籽高油油菜育种至关重要。

近日，湖南农业大学 刘忠松 教授团队联合国内外多家单位在国际著名学术期刊 PNAS 在线发表了完成的题为“ Natural variations in TT8 and its neighboring STK confer yellow seed with elevated oil content in Brassica juncea ”的研究论文，揭示了芥菜型油菜黄籽性状的调控基因、作用机制、起源进化以及黄籽为什么高油的问题，为黄籽高油油菜新品种设计育种提供了新的研究思路、基因资源和技术方法。

1. 克隆了芥菜型油菜黄籽调控基因 TT8s 并阐明其作用机制

在对芥菜型油菜四川黄籽（SY）和紫叶芥（PM）全基因组T2T组装和包含芥菜型油菜在内的480份芥菜种质资源重测序的基础上，通过全基因组关联分析和连锁作图，图位克隆出芥菜型油菜黄籽性状调控基因bHLH转录因子基因 TT8s （图1）。进一步利用四川黄籽（SY）及其近等基因系进行转录组分析、代谢组分析以及酵母单杂交实验分析，发现黄籽突变基因 tt8s 不能与 4-二氢黄酮醇还原酶（DFR）基因启动子结合，从而不能激活 DFR 基因的表达，阻止了原花色素底物的合成，导致种皮不积累原花色素而透明，种子呈现胚的黄色（图2）。

图1 芥菜型油菜种子颜色基因的定位与克隆

图2 芥菜型油菜黄色种子形成的分子机制

2. 揭示了黄籽芥菜型油菜大约 2300 年前起源于中国西南地区

团队先前研究表明，芥菜约在8000~14000 年前起源于西亚（点击查看： Nature Genetics | 湖南农业大学刘忠松团队破译古老芥菜身世之谜、形态百变之源 ）。通过分析全球43个国家和地区收集的1002份芥菜种质资源的 TT8s 基因等位变异，发现A09和B08染色体 TT8 基因分别有 7 个和 6 个等位变异，这些等位变异构成了14种单倍型（图 3A），其中单倍型（Hap）1 为野生型，Hap2 ~ 8 为单个 TT8 基因突变型，其种子表型为黑/褐色，而 Hap9~14 为两个 TT8 基因同时突变型，其种子表型为黄色。通过最大似然系统发育分析估算黄籽单倍型的分化时间，发现Hap9 起源最早，大约在2300 年前形成，而Hap12 和Hap14 起源迟，大约在300 年前形成（图3B）。进一步通过单倍型网络分析，发现Hap2和Hap6 是通向Hap9的桥梁（图3C）。Hap2在芥菜的起源地西亚就发生突变，携带 tt8.b1等位突变，然后沿着草原路线传播到中国西北地区，而Hap6是在传播到印度后发生突变，携带 tt8.a1 等位基因，然后沿着南方丝绸之路传播到中国西南地区（图3D），这两种单倍型在中国西南地区相遇，通过渐渗杂交演化出Hap9（图3C和D）。此外，其他所有黄籽单倍型只在中国西南地区检测到（图3D），进一步支持黄籽芥菜型油菜是中国西南地区单一起源的观点。

图3 芥菜型油菜黄籽性状的起源与传播

3. 揭示了芥菜型黄籽油菜为什么高含油的遗传调控网络

通过对多环境种植的480份芥菜种质的含油量、种子颜色、粒重和皮壳率测定和全基因组关联分析，发现除 TT8s 基因外，与其紧密连锁的MADS转录因子基因 STKs 也显著关联。在 TT8 + STK 基因组合中，共发现7个单倍型，其中黄籽种质为 TT8 + STK_ Hap 7，含油量高、籽粒大。从每一个单倍型随机选2份种质，通过在两地种植，收集种子和种皮进行转录组分析，并构建基因共表达网络，发现 TT8s 和 STKs 两个核心基因相互连接，且与类黄酮代谢相关的 51 个和 52 个基因以及脂质/脂肪酸代谢相关的 74 个和 85 个基因相连（图4A和C）。 TT8s 和 STKs 相互拮抗，但形成一个转录调控网络，调控下游基因从而调控含油量积累和粒重（图 4B和D）。新发现的 STKs 基因与 TT8 基因协同调控黄籽油菜的种子颜色、低皮壳率和高油分积累，揭示出黄籽油菜为什么含油高的分子基础。

图4 芥菜型油菜 TT8s 与 STKs 基因协同调控种子大小、颜色和含油量

该论文的第一完成单位为湖南农业大学，湖南农业大学 钱论文 教授和 杨柳 博士、湖南人文科技学院 刘显军 副教授及天津极智生物科技有限公司 王天义 生信工程师为共同第一作者，湖南农业大学 刘忠松 教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委区域创新联合基金、湖南省科技创新计划项目、湖南省教育厅重点项目、湖南省科技创新领军人才项目等资助。