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 inBrassica 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：）。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。

据悉，该团队一直从事油菜基因组学和分子育种研究，目前共有10人，其中享受国务院特殊津贴专家1人、国家油菜产业技术体系岗位科学家2人、国家万人计划青年拔尖人才1人，省部级人才6人次。团队带头人刘忠松教授是国家生物育种（油菜）项目首席科学家，已主持国家自然科学基金项目7项、国家重点研发计划项目1项、国家863计划项目1项、省部级项目10余项；先后在Science、Nature Genetics、PNAS、Molecular Plant、Plant Biotechnology Journal 等国内外学术刊物发表研究论文160余篇，出版专著2部；已获得国家科技进步二等奖2项，湖南省自然科学一等奖1项、湖南省科技进步一等奖3项、二等奖2项。

论文链接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2417264122