2022-02-16
期刊：Molecular Plant
影響因子：13.164
派森諾與華中農業大學合作，在Molecular Plant上發表了題為《Genome- and transcriptome-wide association studies provide insights into the genetic basis of natural variation of seed oil content in Brassica napus》的研究結果。該研究為提高甘藍型油菜和其他油料作物的有機碳提供了豐富的遺傳資源，并為理解油菜和其他油料作物種子中油分積累的復雜機制提供了有價值的見解。
研究背景
甘藍型油菜(Brassica napus)是世界上第三大植物油來源，其產量約占全球食用油的13%。據估計，含油量每增加1%，種子產量就會增加2.2%-2.3%。因此，培育高含油量甘藍型油菜品種具有重要的經濟意義。之前已有大量研究通過60K SNP陣列或基因組測序對天然甘藍型油菜群體進行分型，并通過全基因組關聯研究(GWAS)對其soc相關QTLs進行鑒定。
盡管在多個染色體上鑒定出了許多SOC QTL，但由于QTL區間較大，尚未從SOC QTL中克隆出候選基因來闡明其分子機制。因此，甘藍型油菜種子油合成調控的分子機制有待進一步研究。
研究成果
1.基因組變異圖與群體結構
我們對505份甘藍型油菜材料進行了測序，共獲得1.7 Tb 150-bp的原始數據，平均深度為9倍。共識別出10,620,048個變異，平均缺失數據率約為3.3%。利用隨機選擇的SNP標記對505份材料的遺傳多樣性和群體結構進行了研究。
研究結果表明，許多與soc相關的基因組區域可能在育種過程中被選擇。與此同時，許多soc改良等位基因沒有得到很好的利用，即使在“高油”品種中也是如此。
2.RNASeq分析
油菜種子油脂的生物合成大約始于開花后20天(DAF)，并在開花后40天開始積累。因此我們選擇了這兩個階段來進行轉錄組測序。我們分別在20 DAF和40 DAF檢測到與SOC相關的605個和148個基因(FDR < 0.05)。兩個階段共檢測到61個基因，這些基因在苯丙素代謝過程和二次代謝過程中富集。
許多轉錄因子(TFs)，包括NAC、WRKY和AP2/ERF家族，在20 DAF時與SOC顯著相關。GO富集分析顯示，許多SOC相關基因參與了應激相關通路，特別是與氧反應相關的兩條通路。之前的報道表明，氧氣濃度可以限制油菜種子中的脂質儲存。在40DAF階段，許多類黃酮和次生代謝相關基因，如TT4、TT5、C4H和TT8與SOC呈負相關。許多研究發現，這些基因可以通過類黃酮途徑調控種皮發育，表明種皮發育對SOC的調控非常重要。
3. 控制甘藍型油菜籽粒含油量的基因模塊
一組基因通常高度協調，形成模塊來執行生物功能。這些基因模塊的發現將有助于進一步了解其分子機制。因此，我們研究了是否存在與SOC相關的基因模塊。我們進一步進行了基于獨立成分分析(ICA)的表達譜分解，以確定種子轉錄組的獨立成分。我們對20 DAF和40 DAF的數據分別進行研究，然后在20 DAF和40 DAF位點構建了種子發育過程中的QTL表達網絡。在20 DAF和40 DAF的SOC模塊中分別鑒定出2934個和1598個基因。
結果表明，這些與SOC模塊相關的QTL可能在控制調控SOC的多個基因表達中發揮重要作用，這些關聯的發現可能有助于我們理解SOC相關QTL的調控機制和基因表達。
4. 數量性狀基因座中候選基因的優先級
由于作物的LD區間較大以及人工選擇等因素的影響，從QTL區間進行基因鑒定往往很困難。基于甘藍型油菜的多組數據集和擬南芥的功能基因集，我們構建了一個整合知識型基因集、變異體效應、GWAS和TWAS信息的候選基因優先排序框架，對甘藍型油菜SOC相關QTL中的候選基因進行排序。
結果顯示，在qOC.C05.3區域，我們也在BnaC05.PMT6中發現了24個非同義變異和一個3 bp的缺失。BnaC05.PMT6分為2個單倍型，hap.A種質（有非同義變異）的SOC顯著高于hap.B種質。這些結果表明，BnPMT6可能是qOC.A05.3和qOC.C05.3的偶然基因。
5. BnPMT6是種子含油量的負調控因子
我們通過突變體(T-DNA或CRISPR/Cas9突變體)和OE系驗證了PMT6對擬南芥和甘藍型油菜SOC的作用。結果顯示，突變系的SOC高于野生型， OE系的SOC較低，這表明BnPMT6可能對一系列與SOC正相關的基因產生負面影響。
我們還將擬南芥lec1突變體中DEGs的FC與FC- bnpmt6—/++進行了一系列分析和比較。結果表明，在一個BnPMT6 OE系的下調基因中，與SOC (20 DAF)正相關的基因過多出現。此外，lec1、fus3 突變體中的下調基因和 val1 突變體中的上調基因富含由 BnPMT6 OE 誘導的上調基因。這些結果表明，BnPMT6是SOC的負調控因子，可能是LEC1/FUS3的下游靶基因。
研究結論
綜上所述，本研究通過對甘藍型油菜3個育種區的QTL進行精確定位，分析了油菜SOC的遺傳結構。確定了與種子含油量相關的基因模塊，并預測了數百個與種子含油量顯著相關的基因。這些研究結果為甘藍型油菜高SOC等位基因的聚合育種提供了有價值的信息。GWAS和TWAS鑒定出的油料相關基因位點和候選基因也將極大地促進油料作物油料合成機理的研究。
本文的轉錄組測序和分析由上海派森諾生物科技有限公司完成。
