油菜是我国重要的油料作物，也是食用植物油和饲用蛋白的重要来源，然而种子中富含的色素与多酚物质不仅参与非营养物质的积累，直接影响种皮发育中色泽的变化，严重影响了菜籽油品质和饼粕饲用价值。研究表明黄籽甘蓝型油菜具有种皮薄、含油量高，榨取的油质清澈，原油中色素含量少等一系列优点。因此，黄籽性状是油菜品质改良的重要目标之一。然而，自然界中不存在天然的黄籽种质，黄籽品系主要通过芸薹属作物（白菜型×甘蓝型、芥菜型×埃塞尔比亚芥、芥蓝×白菜型）种间杂交获得，易受环境因素影响。前期实验室研究证明影响粒色变化的色素差异物质及其衍生物可通过类黄酮途径的多个分支形成，涉及多个基因参与调控，但具体的调控机制不清楚，因此培育稳定遗传的黄籽优异品系较为困难。
2023年8月25日，西南大学油菜分子生物学研究团队李加纳教授/曲存民教授在Nature Communications发表了题为Comparative genomic analyses reveal the genetic basis of the yellow-seed trait in Brassica napus的研究论文，该研究通过甘蓝型油菜黄籽GH06和黑籽中油821高质量基因组的组装，围绕控制种皮色泽主效QTL区间，成功克隆了一个控制油菜种皮色泽重要基因，并解析了其参与调控种皮色泽形成和类黄酮代谢的分子机制，为油菜品质性状改良提供了新的分子策略。
研究通过二代（Illumina）和三代（PacBio）基因组测序，结合Hi-C技术辅助组装，获得甘蓝型油菜黄籽GH06和黑籽ZY821高质量基因组图谱，组装的基因组大小分别为846.29 Mbp和863.16 Mbp，contig N50分别为3.65 Mb和3.64 Mbp，约有94.04%和93.34%的基因组序列被挂载在19条染色体上，将GH06基因组和中油821基因组比对分析，共检测到了18,505个结构变异，包括10,208个插入和8,297个缺失，其中A亚基因组比C亚基因组表现出更多的变异，这表明A亚基因组在油菜进化过程中经历了更多的基因重组事件。在对粒色性状传统QTL定位基础上，结合QTL-seq、基因组、转录组等多组学分析，发现编码R2R3-MYB型转录因子的BnA09MYB47a是控制黄籽性状的主要候选基因(图1)。
图1 GH06和ZY821基因组的特征、两个亲本品系和两个极端群体的表型以及重组自交系的QTL-seq结果
通过对过表达/沉默BnA09MYB47a转基因油菜研究，发现该基因与种皮色泽呈现正相关，还影响了芸薹属作物种皮色泽性状的重要组成成分表儿茶素、山奈酚、异鼠李素和花青素苷及其衍生物等类黄酮代谢产物的合成(图2)。此外，序列变异是黄籽和黑籽油菜BnA09MYB47a功能差异的基础，双荧光素酶试验、EMSA和ChIP-qPCR等体内外实验证明黑籽等位基因BnA09MYB47aZY821通过直接激活BnTT18的表达来促进黄酮类化合物的生物合成，而黄籽等位基因BnA09MYB47aGH06无显著调控作用（图3）。综上所述，该研究丰富了甘蓝型油菜参考基因组数目，特别是继唯一已公布的No2127黄籽参考基因组之后补充了新的黄籽基因组，为黄黑籽油菜基因组深入研究、优异基因资源的挖掘利用，培育高商业价值的油菜，促进芸苔属作物中黄酮类化合物合成代谢调控的分子机制研究提供理论依据和资源。
图2 BnA09MYB47a 影响黄酮类化合物的积累
图3 BnA09MYB47a调控类黄酮途径基因
该研究团队自上世纪60年代开展甘蓝型黄籽油菜研究，不仅拥有国际上第一个黄籽甘蓝资源，进而获得A、C亚基因组均含有黄籽基因、黄籽性状稳定的甘蓝型黄籽油菜材料；建立了近红外粒色定量鉴定选择技术；通过多种来源黄籽材料（分别来自白菜型、芥菜型、埃塞俄比亚芥、甘蓝、辐射诱变等）的复合杂交，获得一批粒色性状遗传稳定、农艺性状优良的甘蓝型黄籽油菜亲本，先后育成甘蓝型黄籽油菜新品种“渝黄1号”、“渝黄2号”、“渝黄4号”、“渝油28”和国际领先的第一个黄籽高油酸品种“康油2号”均通过国家品种审定或登记，并在生产上大面积推广应用，产生了巨大的经济社会效益，成果“甘蓝型黄籽油菜遗传机理与新品种选育”获得2015年度国家科技进步二等奖，2020年被列为重庆市第一批市级农业种质资源保护单位“重庆市作物种质北碚油菜资源库”等。在Nature Communications、Nucleic Acids Research、The Crop Journal、Theoretical and Applied Genetics等学术期刊上发表甘蓝型油菜黄籽基因位点、木质素、色素成分QTL和重要代谢途径相关基因鉴定等方面的研究成果，确立了甘蓝型黄籽油菜基础研究与生产应用在国际上的领先地位。
李加纳教授（第二排左3），曲存民（第二排右2），卢坤（第3排左4）
作者和基金项目
西南大学曲存民教授、朱美晨硕士（现就读于云南大学）、胡冉博士、香港中文大学牛永超博士、陈思博士和赵会彦博士为该论文共同第一作者，西南大学李加纳教授和卢坤教授、加拿大农业部萨斯卡通研究中心付福友博士为该论文的共同通讯作者。另外，华中农业大学易斌教授、新加坡国立大学余皓教授和李骋翔博士、香港中文大学的林漢明和钟思林教授、加拿大萨斯喀彻温省大学的邱晓教授等为本文做出同等贡献。该研究受到国家自然科学基金、科技创新2030项目、重庆市自然科学基金、111项目等项目的资助。