華中農(nóng)業(yè)大學(xué)油菜團(tuán)隊揭示油菜皮殼率的遺傳結(jié)構(gòu)和分子機(jī)制

　　3月28日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)油菜團(tuán)隊在Genome Biology發(fā)表題為Multi-omics analysis dissects the genetic architecture of seed coat content in Brassica napus的研究論文。該研究在甘藍(lán)型油菜皮殼率的遺傳基礎(chǔ)解析、新基因挖掘以及種子碳源分配調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等方面取得了重要進(jìn)展。

 

　　菜籽油是世界第三大食用植物油，提高油菜籽含油量是油菜育種的重要目標(biāo)之一。油菜種子主要由種皮和胚組成，胚是儲存油脂、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的主要場所，種皮在很多生物過程，如營養(yǎng)運(yùn)輸、控制種子大小以及抵御生物和非生物逆境中都發(fā)揮著重要作用。種皮中包含了色素、木質(zhì)素、纖維等諸多次生代謝物，這些次生代謝物的合成與種皮的正常發(fā)育密不可分，其含量決定了種皮的顏色和厚度，并影響皮殼率（種皮重量占種子的比例）。通過調(diào)控種皮發(fā)育，降低種子皮殼率，可以提高胚的比重，進(jìn)而提高種子含油量。因此，闡明油菜皮殼率性狀形成的遺傳基礎(chǔ)、挖掘調(diào)控種皮發(fā)育的關(guān)鍵基因，對提高油菜含油量具有重要意義。

 

　　該研究利用382份甘藍(lán)型油菜的基因組重測序數(shù)據(jù)以及從中選擇的257份代表性材料、兩個種子發(fā)育時期的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，通過全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）和全轉(zhuǎn)錄組關(guān)聯(lián)分析（TWAS）等方法對油菜種子皮殼率的遺傳基礎(chǔ)進(jìn)行了系統(tǒng)解析。研究通過TWAS分析鑒定到了超過700個基因與皮殼率顯著關(guān)聯(lián)，結(jié)合基因模塊調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)BnaCCRL和BnaTT8可能通過調(diào)控木質(zhì)素的生物合成從而在種皮發(fā)育過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。通過GWAS分析，定位了調(diào)控皮殼率的3個QTL位點(diǎn)，并且在A09染色體上發(fā)現(xiàn)了一個熱點(diǎn)QTL qSCC.A09，該QTL可能通過調(diào)控BnaTT8影響種皮中木質(zhì)素的生物合成。

 

　　為了驗證BnaCCRL和BnaTT8的基因功能，研究利用基因編輯技術(shù)構(gòu)建了敲除突變體。與野生型相比，BnaCCRL和BnaTT8突變體中木質(zhì)素含量、皮殼率以及種皮厚度顯著降低，而種子含油量顯著增加。分析表明，BnaTT8可能通過一般苯丙烷途徑間接調(diào)控木質(zhì)素合成，從而影響皮殼率。Cinnamoyl-CoA reductase（CCR，肉桂酰輔酶A還原酶）是參與木質(zhì)素合成的關(guān)鍵酶，而該研究中鑒定的CCR-like（CCRL）與CCR同源性低于30%，首次通過酶活實驗證明了BnaCCRL也具有肉桂酰輔酶A還原酶活性。遺傳、生物化學(xué)和代謝分析表明，BnaCCRL直接參與種皮木質(zhì)素生物合成來調(diào)控油菜種子的皮殼率。

 

　　甘藍(lán)型油菜種子皮殼率與含油量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，降低皮殼率有利于種子積累更多的油脂。研究對含油量和皮殼率TWAS顯著基因表達(dá)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了大量參與苯丙烷途徑和油脂合成途徑的基因在種子發(fā)育過程中影響了油菜種皮和胚之間碳源分配。

 

　　該研究全面解析了甘藍(lán)型油菜皮殼率的遺傳基礎(chǔ)，克隆了兩個調(diào)控木質(zhì)素含量和含油量的基因。研究結(jié)果對于闡明油菜種皮形成的機(jī)制具有重要的理論意義，也為高含油量油菜品種培育提供了基因資源和理論依據(jù)。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點(diǎn)實驗室博士生張宇婷，碩士生章惠，博士后趙虎為共同第一作者，郭亮教授和姚璇副教授為通訊作者，謝為博教授和胡紅紅教授也參與了該研究。研究得到了國家自然科學(xué)基金（31871658）和湖北洪山實驗室重大項目（2021HSZD004）資助。

 

　　【英文摘要】

 

　　Background

 

　　Brassica napus is an important vegetable oil source worldwide. Seed coat content is a complex quantitative trait that negatively correlates with the seed oil content in B. napus.

 

　　Results

 

　　Here we provide insights into the genetic basis of natural variation of seed coat content by transcriptome-wide association studies （TWAS） and genome-wide association studies （GWAS） using 382 B. napus accessions. By population transcriptomic analysis, we identify more than 700 genes and four gene modules that are significantly associated with seed coat content. We also characterize three reliable quantitative trait loci （QTLs） controlling seed coat content by GWAS. Combining TWAS and correlation networks of seed coat content-related gene modules, we find that BnaC07.CCR-LIKE （CCRL） and BnaTT8s play key roles in the determination of the trait by modulating lignin biosynthesis. By expression GWAS analysis, we identify a regulatory hotspot on chromosome A09, which is involved in controlling seed coat content through BnaC07.CCRL and BnaTT8s. We then predict the downstream genes regulated by BnaTT8s using multi-omics datasets. We further experimentally validate that BnaCCRL and BnaTT8 positively regulate seed coat content and lignin content. BnaCCRL represents a novel identified gene involved in seed coat development. Furthermore, we also predict the key genes regulating carbon allocation between phenylpropane compounds and oil during seed development in B. napus.

 

　　Conclusions

 

　　This study helps us to better understand the complex machinery of seed coat development and provides a genetic resource for genetic improvement of seed coat content in B. napus breeding.

 

　　論文鏈接：

 

　　https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-022-02647-5