甘藍(lán)型油菜基因組與花色遺傳研究進(jìn)展

朱吉風(fēng)，張俊英，楊立勇，蔣美艷，江建霞，李延莉，王偉榮，周熙榮

（上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，上海 201403）

油菜作為世界四大油料作物之一，在人類(lèi)生活中占據(jù)重要地位。我國(guó)油菜常年種植面積約761萬(wàn)公頃、年均總產(chǎn)量約118.5億千克，居世界首位；我國(guó)菜籽油年均產(chǎn)量約450萬(wàn)噸，占國(guó)內(nèi)植物油總消費(fèi)量的19.7%，是當(dāng)前我國(guó)國(guó)產(chǎn)食用植物油的主要來(lái)源［1]。在三大油用油菜（甘藍(lán)型油菜、芥菜型油菜與白菜型油菜）中，甘藍(lán)型油菜（Brassica napus L.）因籽粒產(chǎn)量高、株型好，是目前我國(guó)油菜生產(chǎn)中的最大栽培類(lèi)型［2，3]。

1 甘藍(lán)型油菜基因組學(xué)研究進(jìn)展

甘藍(lán)型油菜（AnAnCnCn，2n＝4x＝38）屬十字花科（Cruciferae）蕓薹屬（Brassica），為異源四倍體，基因組大小約1130 Mb［4]。甘藍(lán)型油菜兼具油用、菜用、蜜用、肥用以及飼用等多重功能［5]。加強(qiáng)油菜基因組學(xué)研究，對(duì)有效利用現(xiàn)代分子生物學(xué)手段推進(jìn)油菜遺傳改良具有重要意義。

構(gòu)建遺傳圖譜是基因組學(xué)研究的重要環(huán)節(jié)，是基因定位與基因功能研究的基礎(chǔ)，是分子育種的重要依據(jù)。國(guó)內(nèi)外通過(guò)開(kāi)發(fā)大量的RAPD、AFLP和RFLP等油菜分子標(biāo)記構(gòu)建了甘藍(lán)型油菜遺傳圖譜，如：1991年Landry等發(fā)表了甘藍(lán)型油菜第一張包含103個(gè)RFLP標(biāo)記的遺傳連鎖圖譜［6]；2001年Lombard和Delourme在前人構(gòu)建的圖譜基礎(chǔ)上，利用同工酶標(biāo)記和3種DNA標(biāo)記（AFLP、RFLP與RAPD）構(gòu)建了一張遺傳整合圖譜［7]。隨著分子技術(shù)的發(fā)展，遺傳圖譜構(gòu)建所用的標(biāo)記類(lèi)型也由傳統(tǒng)的RFLP、RAPD等標(biāo)記發(fā)展到SSR、EST-SSR和DArT、SNP等多種類(lèi)型的分子標(biāo)記（表1），構(gòu)建的甘藍(lán)型油菜遺傳圖譜有了很大的改觀。如2012年Raman等構(gòu)建了圖譜長(zhǎng)度為2288 cM、包含135個(gè)SSR和437個(gè)DArT標(biāo)記的遺傳連鎖圖譜［9]；2013年Liu等構(gòu)建了一張覆蓋甘藍(lán)型油菜全基因組的高密度遺傳連鎖圖譜［10]；2016年Nurhasanah和Ecke基于AFLP與SSR標(biāo)記構(gòu)建了圖譜長(zhǎng)度為2003 cM、包含568個(gè)遺傳位點(diǎn)的遺傳圖譜［11]，等等。

隨著測(cè)序技術(shù)的不斷發(fā)展，研究者開(kāi)始利用全基因組測(cè)序開(kāi)發(fā)分子標(biāo)記。2012年Hu等利用454測(cè)序技術(shù)開(kāi)發(fā)了655個(gè)SNP標(biāo)記［16]；2016年Mahmood等通過(guò)重測(cè)序技術(shù)開(kāi)發(fā)了538 691個(gè)In／Del標(biāo)記，構(gòu)建了包含108個(gè)In／Del和89個(gè)SSR標(biāo)記的遺傳連鎖圖譜［17]，使得甘藍(lán)型油菜遺傳圖譜的質(zhì)量進(jìn)一步提升。2014年Chalhoub等聯(lián)合完成了對(duì)甘藍(lán)型油菜典型材料“ZS11”的全基因組測(cè)序工作，構(gòu)建了甘藍(lán)型油菜基因組草圖［20]。新型標(biāo)記的應(yīng)用以及甘藍(lán)型油菜全基因組測(cè)序的完成為構(gòu)建高密度遺傳連鎖圖譜、定位包括花色在內(nèi)的重要性狀基因提供了強(qiáng)有力的工具，同時(shí)也為甘藍(lán)型油菜重要性狀基因克隆以及分子標(biāo)記輔助育種創(chuàng)造了機(jī)遇。

表1 部分甘藍(lán)型油菜遺傳連鎖圖譜Table 1 Part of genetic linkage maps of rapeseed

2 油菜花色研究進(jìn)展

花瓣顏色作為植物重要的表型性狀，因具備表型直觀、遺傳穩(wěn)定、不易受環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)，一般作為一種指示標(biāo)記應(yīng)用于田間品種的選育。油菜花色是指其成熟花瓣的顏色，主要有金黃色、橙黃色、桔紅色、鮮黃色、乳白色、白色、微紫絲白色以及黃白嵌合體等［2]?；ㄊ怯筒说纳称鞴?，花色不僅可以作為一種指示性狀用于育種，還能夠引導(dǎo)昆蟲(chóng)取食、授粉，降低病毒病的發(fā)生和危害［2，21，22]。

2.1 油菜花色變異來(lái)源

甘藍(lán)型油菜花瓣顏色存在豐富的遺傳變異。其變異來(lái)源主要分為3類(lèi)：（1）自然變異，如甘藍(lán)型油菜的白色花瓣自然突變體［23]；（2）人工誘變，包括化學(xué)誘變與物理輻射；（3）基因轉(zhuǎn)育，主要通過(guò)遠(yuǎn)緣雜交、染色體加倍等方法，將蘿卜、白菜、甘藍(lán)等花色基因滲入到甘藍(lán)型油菜中或合成新型甘藍(lán)型油菜［2，24]。

2.2 油菜花色與其他性狀的關(guān)聯(lián)性

油菜育種目標(biāo)主要為高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高抗。雙低（低芥酸、低硫甙）是優(yōu)質(zhì)油菜選育的目標(biāo)。劉雪平等研究認(rèn)為，甘藍(lán)型油菜白花性狀與高芥酸連鎖緊密，并篩選到一個(gè)與黃花和低芥酸基因均連鎖的RAPD標(biāo)記S92-1400［25]。所以，可將花色作為指示性狀進(jìn)行田間低芥酸油菜品種選育。也有研究發(fā)現(xiàn)，油菜白花胞質(zhì)不育系生活力差、硫甙含量高以及僅有白花基因的種子活性差等［2，22]。此外，部分研究報(bào)道油菜花色與不育基因雖獨(dú)立遺傳，但可利用花色進(jìn)行田間去雜，以保證制種親本的純度［22，26，27]。

2.3 油菜花色遺傳研究

1929年P(guān)earson首次對(duì)油菜花色在遺傳水平上進(jìn)行了研究。隨著研究者對(duì)油菜花色遺傳規(guī)律的深入研究，發(fā)現(xiàn)油菜花色不僅種類(lèi)多，其遺傳也較為復(fù)雜。已有的研究成果表明，若選用不同的材料研究花色性狀，所獲得的遺傳規(guī)律可能不同。較多學(xué)者認(rèn)為油菜白花屬于單基因遺傳，為質(zhì)量性狀［28～30]，但田露申等認(rèn)為油菜白花是受兩對(duì)基因和多個(gè)微效基因控制的數(shù)量性狀［23]。于澄宇等研究發(fā)現(xiàn)，甘藍(lán)型油菜黃白嵌合突變體中白色是隱性基因控制，并在局部表達(dá)［31]。Zhang等對(duì)某些人工合成的甘藍(lán)型油菜研究發(fā)現(xiàn)，花色可能受到細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)基因的共同影響［32]。周熙榮等在甘藍(lán)型油菜顯性核不育橙黃花純合兩型系選育過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，橙黃色對(duì)鮮黃色為隱性，由兩對(duì)重疊核基因控制［27]。另外，有的研究者認(rèn)為花色表型可能與染色體組成和數(shù)目有關(guān)，如，Tisakal等通過(guò)細(xì)胞融合技術(shù)得到具有白花性狀的融合植株（47條染色體），而當(dāng)回交至38條染色體時(shí)，花瓣又恢復(fù)至黃色［33]，等等。

2.4 油菜花色基因研究

近年來(lái)，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，遺傳標(biāo)記已被廣泛應(yīng)用于遺傳圖譜構(gòu)建、基因／QTL定位、分子標(biāo)記輔助育種等。基于已經(jīng)構(gòu)建的遺傳連鎖圖譜，一些與花色性狀連鎖的標(biāo)記位點(diǎn)被逐步挖掘（表2）。如：董育紅等在甘藍(lán)型油菜中開(kāi)發(fā)了與白花基因連鎖的RAPD標(biāo)記［34]；劉雪平等篩選到一個(gè)與黃花緊密連鎖的RAPD標(biāo)記［25]；Huang等通過(guò)性狀—標(biāo)記關(guān)聯(lián)分析，獲得了與白色花瓣基因緊密連鎖的分子標(biāo)記，并用于分子標(biāo)記輔助育種［35]。上述研究?jī)H是針對(duì)油菜花色基因進(jìn)行初定位研究，直到2014年才有了油菜花瓣顏色功能基因的報(bào)道。Lee等通過(guò)性狀—標(biāo)記關(guān)聯(lián)分析在白菜型油菜A9染色體上獲得花瓣乳黃色基因BrCRTISO1，該基因?qū)儆陬?lèi)胡蘿卜素異構(gòu)酶基因，編碼589個(gè)氨基酸［36]；Zhang等通過(guò)圖位克隆技術(shù)在甘藍(lán)型油菜染色體C3上獲得控制花瓣白色性狀的功能基因BnaC3.CCD4，該基因?qū)儆陬?lèi)胡蘿卜素裂解雙加氧酶基因，編碼597個(gè)氨基酸［37]；Zhang等分別針對(duì)芥菜型油菜A2染色體上的白花性狀基因BjPC1與B4上白花突變體基因Bjpc2進(jìn)行了精細(xì)定位，并預(yù)測(cè)其對(duì)應(yīng)的花色性狀候選基因，同時(shí)開(kāi)發(fā)了共分離標(biāo)記用于分子標(biāo)記輔助選擇［38，39]。

3 問(wèn)題與展望

油菜作為我國(guó)第一大油料作物，其穩(wěn)產(chǎn)與高產(chǎn)對(duì)我國(guó)乃至世界食用植物油安全具有重要影響。目前我國(guó)種植的甘藍(lán)型油菜主要以雜交品種為主。雜交品種的純度會(huì)直接影響油菜的產(chǎn)量，因此，育種中需要通過(guò)田間去雜以保證親本的純度。在田間去雜過(guò)程中可能會(huì)面臨雜株與親本性狀相似而難以分辨的問(wèn)題，需要借助花色等指示性狀進(jìn)行辨別。周熙榮等［27]依據(jù)花色遺傳規(guī)律，將橙黃花與顯性核不育進(jìn)行結(jié)合，在油菜三系制種過(guò)程中借助橙黃花去除全不育系中的雜株，從而有效地保證了雜交種的純度。因此，加強(qiáng)油菜花色的遺傳研究，利用油菜花色與其他性狀（如高芥酸、雄性不育等）的關(guān)聯(lián)性，對(duì) 提高育種效率意義重大。

表2 與油菜花色基因相關(guān)的分子標(biāo)記Table 2 Molecular markers of rape flower color

3.1 存在的主要問(wèn)題

近年來(lái)，甘藍(lán)型油菜功能基因組學(xué)研究已取得很大進(jìn)展，必將加快油菜育種的步伐。然而，由于甘藍(lán)型油菜為異源四倍體，其基因組龐大，且富含大量重復(fù)序列，兩個(gè)亞基因組（A和C）之間還存在著豐富的基因或DNA序列置換現(xiàn)象［20，40]，這些復(fù)雜的遺傳背景使得甘藍(lán)型油菜遺傳研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于擬南芥、水稻、大豆、玉米等二倍體植物，嚴(yán)重制約了甘藍(lán)型油菜的功能基因發(fā)掘與分子育種工作。迄今為止，相較于其他二倍體植物，甘藍(lán)型油菜主要農(nóng)藝性狀的控制基因克隆的極少，針對(duì)主要農(nóng)藝性狀開(kāi)發(fā)的分子標(biāo)記多為RAPD、AFLP等不能區(qū)分雜合位點(diǎn)的顯性標(biāo)記。此外，由于針對(duì)目標(biāo)性狀開(kāi)發(fā)的分子標(biāo)記在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可能會(huì)存在一些限制，如不同群體中標(biāo)記—性狀連鎖的緊密程度不一致、遺傳距離很近但物理距離卻相距很遠(yuǎn)，這些問(wèn)題均阻礙了油菜重要性狀機(jī)制研究與分子育種進(jìn)展。特別是種類(lèi)繁多的花色性狀，與其他植物花色研究相比，油菜花色研究極其不足。

綜上，目前油菜花色研究中存在的障礙主要有四點(diǎn)：（1）油菜花色與其他主要農(nóng)藝性狀關(guān)聯(lián)性研究不足；（2）甘藍(lán)型油菜參考基因組信息量缺乏；（3）基因驗(yàn)證技術(shù)體系不完備；（4）基礎(chǔ)研究與育種結(jié)合不緊密，已開(kāi)發(fā)的功能標(biāo)記在育種中應(yīng)用極少。

3.2 展望

花色是輔助人工去雜或田間選育的有利工具，為充分發(fā)揮油菜花色在分子育種或品種選育中的應(yīng)用潛力，必需加強(qiáng)油菜花色遺傳研究。雖然甘藍(lán)型油菜遺傳背景復(fù)雜，但在遺傳研究中可借助油菜的兩個(gè)基本種甘藍(lán)和白菜，克隆目標(biāo)基因、解析基因的功能等。隨著測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展以及測(cè)序成本的不斷降低，可利用簡(jiǎn)化基因組測(cè)序等方法來(lái)發(fā)掘花色基因，通過(guò)比較基因組學(xué)借助模式植物擬南芥的基因組信息來(lái)解析油菜候選基因功能，以深入挖掘油菜花色基因與其他重要農(nóng)藝性狀之間的相關(guān)性，將油菜花色基因與現(xiàn)代育種技術(shù)相結(jié)合，以保障油菜花色作為一種指示性狀在田間品種選育過(guò)程中的有效應(yīng)用。