近日，Plant Biotechnology Journal期刊在線發表了油菜團隊題為“Genome- and transcriptome-wide association studies reveal the genetic basis and the breeding history of seed glucosinolate content in Brassica napus”的研究論文，本研究揭示了油菜種子硫代葡萄糖苷（硫苷）的遺傳基礎及種子低硫苷改良的育種選擇過程，并對利用油菜GTR2同源基因創造種子低硫苷營養組織高硫苷的思路提供了新的見解。
甘藍型油菜不僅是世界上主要的油料作物之一，也是重要的動物蛋白飼料來源。早期的甘藍型油菜品種種子和營養組織均含有高含量的硫苷，榨油後的油菜餅粕飼用價值有限，“雙低”化育種過程成功的将油菜種子硫苷含量降低到今天的較低水平（20~30 微摩爾/克餅粕），大大的促進了油菜餅粕的飼用價值。然而，硫苷作為一種次生代謝物，是植物抵禦食草動物取食和病原體侵染的重要防禦化合物。“雙低”育種在降低種子硫苷含量的同時，也降低了葉片和其他組織中的硫苷含量，對油菜的生物逆境抗性具有負面效應。因此，進行硫苷積累的組織特異性控制對油菜的品質改良具有重要意義。
該研究利用前期測定的505份甘藍型油菜群體的基因組重測序數據以及從中選擇的309份代表性材料的兩個種子發育時期的轉錄組數據，通過全基因組關聯分析（GWAS）和全轉錄組關聯分析（TWAS）等方法對油菜種子硫苷含量的遺傳基礎進行了系統解析。
結合關聯群體連續三年的種子硫苷含量性狀（武漢2017-2019），利用GWAS分析定位了15個穩定的種子硫苷含量QTL位點，同時利用TWAS分析鑒定了1854個與種子硫苷含量顯著關聯的候選基因。通過GO富集分析發現這些基因編碼的蛋白主要參與硫苷生物合成等途徑。對GWAS分析定位的15個穩定的硫苷QTL位點的受選擇強度和單倍型的分析表明，低種子硫苷主要是由qGSL.A02.2、qGSL.C02.1、qGSL.A09.2和qGSL.C09.1的共同選擇而産生。
為挖掘調控油菜種子硫苷積累過程中的關鍵基因，研究利用加權基因共表達網絡分析（WGCNA）以及之前開發的POCKET算法從GWAS和TWAS的結果中挖掘關鍵模塊和候選基因。結果表明，BnaC02.GTR2（BnaC02g42260D）極可能是qGSL.C02.1位點的關鍵候選基因。
為了驗證BnaC02.GTR2的基因功能，研究使用CRISPR/Cas9基因編輯技術構建Bna.gtr2s敲除突變體，發現BnaC02.GTR2及其三個同源基因都能正向調節種子硫苷的積累。值得注意的是，與野生型相比，BnaC02.gtr2突變體苗期葉片中硫苷含量顯著降低，而根中硫苷含量顯著增加，這說明根系合成的硫苷向其他營養組織的轉運可能受到抑制。此外，我們觀察到這些Bna.gtr2s突變體的種子變小，蛋白質含量降低而種子油含量升高。RNA-seq和相關性分析都表明，Bna.GTR2s可能在種子發育中發揮綜合作用，如氨基酸的積累、硫苷合成、糖的同化和油的積累。
該研究通過 GWAS、TWAS 和共表達網絡分析，在基因組和轉錄組水平上對油菜種子硫苷含量的遺傳基礎進行研究，揭示了油菜低種子硫苷改良的育種選擇曆史，并且為 Bna.GTR2s 在油菜種子硫苷積累和種子發育中的分子功能提供了新的見解，為構建“種子低硫苷營養組織高硫苷”的育種模型具有重要的指導意義。
學院博士生譚增棟和謝钊啟為該論文共同第一作者，洪登峰教授和郭亮教授為該論文的共同通訊作者。該研究在作物遺傳改良國家重點實驗室的和湖北洪山實驗室完成，得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金的資助。
原文鍊接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13707
