科研人員解析油菜硫苷轉運機制助力優質育種

發布時間：2022-01-27 11:01 原文鏈接：科研人員解析油菜硫苷轉運機制助力優質育種

近日，中國農科院油料所研究員劉勝毅團隊和華中農業大學信息學院教授楊慶勇團隊合作，開發了一種多拷貝基因功能鑒定的新思路/方法，基于此鑒定，解析了油菜中硫苷的重要轉運子BnaA06.GTR2，并利用CRISPR/cas9創制了油菜育種上可直接利用的種子低硫苷、營養組織高硫苷的種質資源。相關論文1月25日在線發表于Plant Physiology（《植物生理學》）。

在作物遺傳育種研究中，遺傳變異是正向遺傳學研究的基礎，如雙親本分離群體QTL mapping和全基因組關聯分析GWAS等。對于缺乏自然變異的性狀功能基因，正向遺傳學無法研究。為此，研究者們研發了反向遺傳學研究方法（如構建人工突變體庫等）作為補充。

然而，在油菜、棉花、小麥等多倍體物種中，絕大部分基因都以多拷貝形式存在，多拷貝基因的功能既有分化，也有冗余，還有在種質資源中缺乏變異拷貝。因此，在多倍體物種中，如何準確選擇遺傳操作的目標拷貝是當前遺傳學研究中面臨的一個重要挑戰。

硫代葡萄糖苷（硫苷）是十字花科植物所特有的次生代謝物，絕大部分種類的硫苷在植株的營養組織中合成然后轉運到種子中，其代謝產物在植株病蟲害防御中具有重要作用，然而餅粕中硫苷及其降解產物含量高會引起所喂養的牲畜的甲狀腺腫大等疾病，降低了菜籽粕優質蛋白質的經濟價值。

隨著油菜“雙低”（種子低硫苷和低芥酸）育種的推廣，在降低種子硫苷含量的同時也降低了營養組織的硫苷量，從而導致植物抗病蟲性下降。盡管在擬南芥中硫苷的合成和轉運相關基因和機制已經研究得相對清晰，且硫苷轉運子編碼基因（GTRs）的突變能顯著減少一些十字花科植物中的種子硫苷含量，然而已有研究創制的油菜BnGTR2s基因編輯突變體在產量等農藝性狀上有較大的負面影響，難以應用于育種實踐。

針對上述問題，該研究從12個de novo組裝的甘藍型油菜基因組中全面鑒定硫苷的轉運相關基因BnaGTRs，然后進一步檢測這些基因在種子硫苷高含量和低含量代表性品種生長發育的20個時期/組織中的表達模式，發現BnaA06.GTR2的表達量普遍高于其它BnaGTRs。有意思的是，BnaA06.GTR2在種子硫苷含量的GWAS分析和已發表的QTL/GWAS定位以及全轉錄組關聯分析（TWAS）研究中都沒有檢測到與種子硫苷的相關效應，說明油菜種質中缺乏變異。進一步通過CRISPR/cas9基因編輯證明BnaA06.GTR2在種子硫苷轉運過程中發揮了重要作用，其功能缺失突變體中種子硫苷含量相對于轉基因陰性對照下降了76.05%，且并沒有觀察到對其他農藝性狀的負面影響。

該研究最終為培育油菜葉片高硫苷且種子低硫苷的高抗、優質品種提供了優異的種質資源。其方法為作物資源缺乏遺傳變異，尤其是多倍體多拷貝基因功能研究提供了一種新的思路、方法，為作物育種提供了方法策略。

中國農科院油料所張園園博士和華中農業大學楊慶勇博士為論文通訊作者，油料所何貽洲和華中農業大學博士后楊植全為論文共同第一作者。該研究得到國家自然科學基金區域創新發展聯合基金等基金的資助。