华中农业大学油菜团队揭示油菜种子硫苷含量自然变异及人工选择的遗传基础

近日，Plant Biotechnology Journal期刊在线发表了华中农业大学洪登峰教授课题组与郭亮教授课题组合作完成的题为“Genome- and transcriptome-wide association studies reveal the genetic basis and the breeding history of seed glucosinolate content in Brassica napus”的研究论文，本研究揭示了油菜种子硫代葡萄糖苷（硫苷）的遗传基础及种子低硫苷改良的育种选择过程，并对利用油菜GTR2同源基因创造种子低硫苷营养组织高硫苷的思路提供了新的见解。甘蓝型油菜不仅是世界上主要的油料作物之一，也是重要的动物蛋白饲料来源。早期的甘蓝型油菜品种种子和营养组织均含有高含量的硫苷，榨油后的油菜饼粕饲用价值有限，“双低”化育种过程成功的将油菜种子硫苷含量降低到今天的较低水平（20~30 微摩尔/克饼粕），大大的促进了油菜饼粕的饲用价值。然而，硫苷作为一种次生代谢物，是植物抵御食草动物取食和病原体侵染的重要防御化合物。“双低”育种在降低种子硫苷含量的同时，也降低了叶片和其他组织中的硫苷含量，对油菜的生物逆境抗性具有负面效应。因此，进行硫苷积累的组织特异性控制对油菜的品质改良具有重要意义。

该研究利用前期测定的505份甘蓝型油菜群体的基因组重测序数据以及从中选择的309份代表性材料的两个种子发育时期的转录组数据，通过全基因组关联分析（GWAS）和全转录组关联分析（TWAS）等方法对油菜种子硫苷含量的遗传基础进行了系统解析。

结合关联群体连续三年的种子硫苷含量性状（武汉2017-2019），利用GWAS分析定位了15个稳定的种子硫苷含量QTL位点，同时利用TWAS分析鉴定了1854个与种子硫苷含量显著关联的候选基因。通过GO富集分析发现这些基因编码的蛋白主要参与硫苷生物合成等途径。对GWAS分析定位的15个稳定的硫苷QTL位点的受选择强度和单倍型的分析表明，低种子硫苷主要是由qGSL.A02.2、qGSL.C02.1、qGSL.A09.2和qGSL.C09.1的共同选择而产生。

为挖掘调控油菜种子硫苷积累过程中的关键基因，研究利用加权基因共表达网络分析（WGCNA）以及之前开发的POCKET算法从GWAS和TWAS的结果中挖掘关键模块和候选基因。结果表明，BnaC02.GTR2（BnaC02g42260D）极可能是qGSL.C02.1位点的关键候选基因。为了验证BnaC02.GTR2的基因功能，研究使用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建Bna.gtr2s敲除突变体，发现BnaC02.GTR2及其三个同源基因都能正向调节种子硫苷的积累。值得注意的是，与野生型相比，BnaC02.gtr2突变体苗期叶片中硫苷含量显著降低，而根中硫苷含量显著增加，这说明根系合成的硫苷向其他营养组织的转运可能受到抑制。此外，我们观察到这些Bna.gtr2s突变体的种子变小，蛋白质含量降低而种子油含量升高。RNA-seq和相关性分析都表明，Bna.GTR2s可能在种子发育中发挥综合作用，如氨基酸的积累、硫苷合成、糖的同化和油的积累。

该研究通过 GWAS、TWAS 和共表达网络分析，在基因组和转录组水平上对油菜种子硫苷含量的遗传基础进行研究，揭示了油菜低种子硫苷改良的育种选择历史，并且为 Bna.GTR2s 在油菜种子硫苷积累和种子发育中的分子功能提供了新的见解，为构建“种子低硫苷营养组织高硫苷”的育种模型具有重要的指导意义。华中农业大学植物科学技术学院博士生谭增栋、和谢钊启为该论文共同第一作者，洪登峰教授和郭亮教授为该论文的共同通讯作者。该研究在作物遗传改良国家重点实验室的和湖北洪山实验室完成，得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。