油菜是我国第一大油料作物，提高其种子含油量是油菜育种工作的重要目标之一。含油量为典型的数量性状，而Quantitative Trait Loci（QTL）定位是探究数量性状遗传机制的有效方法和手段。在作物育种中，精准的表型鉴定有利于和分子标记建立更好关联分析、以及提高QTL定位的准确度和精度。目前，油菜含油量QTL定位研究所使用的表型数据均是基于整粒种子，但种子不同组织部位（种皮、外子叶、内子叶和胚轴）内油脂含量存在较大差异，这意味着基于整粒种子含油量进行QTL定位可能会导致某些调控含油量关键信息的遗失。因此，解析油菜种子不同组织含油量遗传基础对进一步提高油菜含油量具有重要意义。
2023年5月24日，我院栗茂腾教授联合华中农业大学张椿雨教授团队在生物技术领域权威期刊Biotechnology for Biofuels and Bioproducts上在线发表了题为“New insight into the genetic basis of oil content based on noninvasive three-dimensional phenotyping and tissue-specific transcriptome in Brassica napus”的研究论文。该研究通过结合三维表型分型技术、QTL定位以及组织特异性转录组，对油菜种子不同组织含油量遗传结构进行了解析，鉴定了种子组织特异性QTL和重要候选基因，为进一步提高油菜种子含油量提供了新见解。
该研究首先利用不同含油量油菜种子构建了核磁共振无损3D油脂定量分析技术，通过该技术实现了油菜种子不同组织部位脂质含量的检测。为揭示油菜种子不同组织部位含油量形成的遗传学基础，课题组利用该技术对油菜KN DH分离群体不同株系种子的不同组织部位油脂分布进行了成像，并对各组织含油量进行了定量分析（图1），获得了10个涉及种皮（Seed coat）、外子叶（Outer cotyledon）、内子叶（Inner cotyledon）和胚轴（Radicle）中更加精细的含油量表型数据（包括种皮含油量SCTC、外子叶含油量OCTC、内子叶含油量ICTO、胚轴含油量RTO、种皮单位体积含油量SCMO、外子叶单位体积含油量OCMO、内子叶单位体积含油量ICMO、胚轴单位体积含油量RMO、种子含油量WSTO和种子单位体积含油量WSMO）。
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图1 KN DH群体种子油脂成像与定量。a、 b、c和d展示了油菜种子脂质成像过程，e和f表示基于脂质成像的油菜种子三维重建。g表示不同组织部位的三维重建，包括种皮、外子叶、内子叶和胚根。h表示整个种子和基于脂质成像的种子不同部位的分割。
同时，基于课题组构建的高密度遗传图谱对10个各组织含油量性状进行了QTL定位，共鉴定到35个控制不同组织含油量的特异性QTLs，最高解释表型变异率13.76%，其中14个组织特异性QTLs是第一次报道的控制油菜含油量QTLs（图2），包括1个外子叶特异的含油量QTL qOCTOA9-2和3个内子叶特异的含油量QTL（qICMOA1-2、qICTO-C1和qICTO-C2）。Meta分析显示，8个unique QTLs具有多效性。以上分析果表明，油菜种子不同组织部位油脂合成机制可能具有一定的差异性。
图2 KN DH群体检测到的种子不同组织含油量QTLs。a为种子不同组织中鉴定的含油量QTL及其在连锁群中的分布。b、 c和d分别表示位于A9、A10和C3连锁群上的不同种子部位含油量的共有和特异QTLs。
为进一步分析各组织部位含油量QTL与种子总含油量的关系，利用KN DH群体的基因型分型结果，进行了相关QTL单倍型及其表型分析。分析结果显示，组织特异性QTLs的累积能显著提高特定组织部位含油量。如拥有三个QTL（两个内子叶特异QTL qICTO-C1-1和qICTOC1-2，和一个外子叶特异QTL qOCTO-A10-2）优势等位基因型的DH系表现出比在3个QTL没有优势等位基因和仅在两个内子叶特异QTL中具有优势等位基因型的DH系在其外子叶具有更高的含油量（图3a、b和c）。此外，不同组织部位QTLs也展示了明显的累加效应（图3e），尤其是外子叶特异性QTLs，体现了各个组织部位特异性QTLs对整粒种子含油量的贡献。
图3 组织特异性QTLs展示出累加效应。纵坐标上的数字表示具有优势等位基因型的QTL数量。0表示在所有12个评估的QTL中具有非优势等位基因型DH系的表型值。1表示仅在一个QTL（qRTO-C9-2）中具有优势等位基因型的DH系。2代表在两个QTL（qICTO-C1-1和qICTOC1-2）中具有优势等位基因型的DH系。3代表在三个QTL（qICTO-C1-1、qICTOC1-2和qOCTO-A10-2）中具有优势等位基因型的DH系。11代表那些携带11个QTL优势等位基因型的DH系，这些QTL具有涉及SCTO、RTO、ICTO和OCTO的有利单倍型。a、 b、c和d分别展示了具有不同类型和数量的优势等位基因型的DH系中RTO、ICTO、OCTO和SCTO的表型值。e显示了WSTO的变异以及不同类型和数量的优势等位基因型的积累对总含油量的影响。
为进一步揭示油菜种子不同组织部位油脂形成的分子机制，本研究同时对KN DH群体亲本材料种子发育过程中2个时期（花后24天和33天）的4个不同组织进行了转录组分析。差异表达基因分析表明，在种子发育早期和中期，外子叶、内子叶和胚轴中丙酮酸代谢更为活跃，这意味着这三个组织为油脂、蛋白以及其他碳水化合物的合成提供了更多的丙酮酸前体。基于上述QTL定位，BSA测序以及组织特异性转录组分析，共鉴定到86个种子不同组织共有或组织特异的油脂代谢相关的候选基因，如位于控制外子叶和内子叶含油量QTL uqA9-10内的编码脂肪酸合成限速酶CAC2基因，位于特异性控制内子叶含油量QTL uqC1-1内的编码溶血磷脂酸酰基转移酶LPAT5基因（图4）。
该研究通过深入种子不同组织水平对种子含油量进行了遗传解析，为通过实现特定组织含油量提升，继而增加整粒种子含油量来实现油菜含油量的进一步提高提供了新的线索和理论基础。
图4 基于组织部位含油量QTL鉴定及基因差异表达分析构建的调控油菜含油量的TAG合成通路。（a）两个亲本之间TAG合成通路及其基因表达差异。（b）四个组织部位的QTL区间中重要候选基因在两亲本间的表达差异。
华中科技大学栗茂腾教授和华中农业大学张椿雨教授为论文通讯作者，郭亮星博士、朝红波博士和尹永泰博士为共同第一作者，华中科技大学张礼斌副教授、赵卫国博士、李怀鑫博士、侯大林硕士和陕西省杂交油菜中心王灏研究员也参与了此项研究。该研究得到国家自然科学基金面上项目（32072098和31871656）、国家重点研发计划项目（2022YFD1200402）的资助。
原文链接：
https://biotechnologyforbiofuels.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13068-023-02324-0
