3月28日，華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室油菜團隊郭亮課題組在Genome Biology發表題為Multi-omics analysis dissects the genetic architecture of seed coat content in Brassica napus的研究論文。該研究在甘藍型油菜皮殼率的遺傳基礎解析、新基因挖掘以及種子碳源分配調控網絡等方面取得了重要進展。
菜籽油是世界第三大食用植物油，提高油菜籽含油量是油菜育種的重要目標之一。油菜種子主要由種皮和胚組成，胚是儲存油脂、蛋白質等營養物質的主要場所，種皮在很多生物過程，如營養運輸、控制種子大小以及抵禦生物和非生物逆境中都發揮著重要作用。種皮中包含了色素、木質素、纖維等諸多次生代謝物，這些次生代謝物的合成與種皮的正常發育密不可分，其含量决定了種皮的顏色和厚度，並影響皮殼率（種皮重量占種子的比例）。通過調控種皮發育，降低種子皮殼率，可以提高胚的比重，進而提高種子含油量。囙此，闡明油菜皮殼率性狀形成的遺傳基礎、挖掘調控種皮發育的關鍵基因，對提高油菜含油量具有重要意義。
全轉錄組關聯分析鑒定皮殼率顯著關聯的基因（a種子發育20天全轉錄組關聯分析；b種子發育40天全轉錄組關聯分析）
該研究利用382份甘藍型油菜的基因組重測序數據以及從中選擇的257份代表性資料、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）等方法對油菜種子皮殼率的遺傳基礎進行了系統解析。研究通過TWAS分析鑒定到了超過700個基因與皮殼率顯著關聯，結合基因模塊調控網絡，發現BnaCCRL和BnaTT8可能通過調控木質素的生物合成從而在種皮發育過程中發揮關鍵作用。通過GWAS分析，定位了調控皮殼率的3個QTL位點，並且在A09染色體上發現了一個熱點QTL qSCC.A09，該QTL可能通過調控BnaTT8影響種皮中木質素的生物合成。
敲除BnaCCRL可降低油菜皮殼率和木質素含量，提高含油量
為了驗證BnaCCRL和BnaTT8的基因功能，研究利用基因編輯科技構建了敲除突變體。與野生型相比，BnaCCRL和BnaTT8突變體中木質素含量、皮殼率以及種皮厚度顯著降低，而種子含油量顯著增加。分析表明，BnaTT8可能通過一般苯丙烷途徑間接調控木質素合成，從而影響皮殼率。Cinnamoyl-CoA reductase（CCR，肉桂醯輔酶A還原酶）是參與木質素合成的關鍵酶，而該研究中鑒定的CCR-like（CCRL）與CCR同源性低於30%，首次通過酶活實驗證明了BnaCCRL也具有肉桂醯輔酶A還原酶活性。遺傳、生物化學和代謝分析表明，BnaCCRL直接參與種皮木質素生物合成來調控油菜種子的皮殼率。
TWAS顯著基因在油菜種子的碳源分配存在平衡
甘藍型油菜種子皮殼率與含油量呈現顯著的負相關關係，降低皮殼率有利於種子積累更多的油脂。研究對含油量和皮殼率TWAS顯著基因表達進行分析，發現了大量參與苯丙烷途徑和油脂合成途徑的基因在種子發育過程中影響了油菜種皮和胚之間碳源分配。
該研究全面解析了甘藍型油菜皮殼率的遺傳基礎，尅隆了兩個調控木質素含量和含油量的基因。研究結果對於闡明油菜種皮形成的機制具有重要的理論意義，也為高含油量油菜品種培育提供了基因資源和理論依據。