油菜及其近緣植物形態(tài)標記性狀基因定位與克隆研究進展

楊 柳，康 雷，劉忠松

（湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，長沙 410128）

油菜主要用作油料作物，近年來也作為觀賞作物、蔬菜作物、飼料作物等種植。從植物學角度看，油菜包括白菜型油菜、芥菜型油菜和甘藍型油菜三類。三類油菜在形態(tài)上存在明顯差別，如白菜型油菜較矮；甘藍型油菜、芥菜型油菜較高；白菜型油菜、芥菜型油菜有天然的紫葉、多室、黃籽特征等。這些性狀差異特異性強、易識別、受環(huán)境條件影響小，不僅可以作為標記性狀直接應用于遺傳研究、雜種鑒別、種子純度鑒定等諸多方面，而且有些還與作物的產(chǎn)量、品質(zhì)甚至抗逆性相關聯(lián)。近年形態(tài)標記性狀作為重要的育種選擇參考越來越受到重視，如隨著觀賞油菜的興起，對油菜品種的葉型、葉色、株高和花色都提出了新的要求［1，2]。

油菜的根、莖、葉、花、果、實的形態(tài)性狀研究由來已久，但以往研究大多停留在對表觀性狀遺傳分析方面。近年隨著油菜及近緣植物全基因組測序完成和序列公布，已將控制葉色、葉型、株高、花色、種子顏色等性狀的基因進行了定位和克隆，從而為比較不同油菜類型間控制同一性狀的基因差異提供了條件。本文僅對油菜及其近緣種的形態(tài)標記性狀基因定位和克隆進展進行評述。

1 葉色

油菜葉片一般為綠色，但有紫色、黃色、桔黃色等變異類型。紫葉白菜含有更多的蘆丁［3]，桔黃葉白菜積累更多的β-胡蘿卜素［4]，這些物質(zhì)提高了白菜的營養(yǎng)價值。在油菜（Brassica napus）、芥菜（B.juncea）、白菜（B.rapa）和甘藍（B.oleracea）等蕓薹屬植物中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了有天然的紫葉突變，屬于單基因顯性突變，并且紫葉性狀可通過種間雜交由芥菜、白菜轉(zhuǎn)移到油菜和甘藍中去［5，6]。油菜控制紫葉性狀的基因在A03染色體，編碼APR2基因［7]，芥菜控制紫葉性狀的基因位于B02染色體（重新命名為B05［8]），編碼MYB轉(zhuǎn)錄因子基因［9]，白菜控制紫葉性狀的基因定位到A03、A07和A09染色體［10]，A03染色體的編碼基因為LBD39［10]，A09染色體有2個控制葉色的基因，分別為DFR和bHLH類轉(zhuǎn)錄因子EGL3［11，12]，甘藍控制紫葉性狀的基因定位到C03、C06和C09染色體，C06染色體上的紫葉基因為MYB2和MYBL2，而C09染色體的紫葉基因為DFR［13～19]。紫葉的形成是由于過量積累花色素［20～23]?；ㄉ貙儆陬慄S酮類物質(zhì)。類黃酮的生物合成途徑研究成果頗豐，在蕓薹屬植物中有數(shù)十個基因參與這一途徑［23，24]，還有許多基因沒有找到自然突變體。

桔黃葉是大白菜的重要性狀，多個研究都把單基因隱性遺傳的桔黃葉指向A09染色體的影響胡蘿卜素合成的CRTISO基因［25～29]。蕓薹屬植物像水稻等植物一樣，有許多葉片黃化突變體，在葉綠體基因組［30]和C01、C07和C08染色體定位有黃化基因［31～34]，但至今僅1個油菜黃化突變體和1個白菜黃化突變體基因被克隆，分別編碼血紅素加氧酶1（PHO1）基因和葉綠體rps4基因。白菜QTL定位及基因注釋分析認為，SCO3、ABI3、FLU、HCF153、HEMB1和CAB3等基因與葉色和葉綠素合成有關［35]。

2 光葉

油菜葉片表面一般會合成、積累一層蠟粉，保護植株免受干旱、高溫等環(huán)境脅迫。蠟質(zhì)是鏈非常長的脂肪酸（C20～C34）衍生物質(zhì)，在油菜葉片中檢出有24種之多（C24～C31）［36]。如果葉片表皮細胞不合成蠟質(zhì)，葉片表面就因不能積累蠟粉而變成光葉（glossy）。光葉白菜、甘藍口感更好，而且不利于蚜蟲等多種昆蟲取食［37]。光葉既有顯性遺傳的，也有隱性遺傳的。油菜中單基因顯性光葉性狀是由A09染色體CER1基因單堿基突變所致［38]，白菜中克隆了A01和A09染色體上CER2和CER1基因［39，40]，甘藍中克隆了C01和C08染色體上的CER4、CER1基因，其中CER1基因有3個等位突變［41～45]，而C03染色體有涉及蠟質(zhì)合成的O-?；D(zhuǎn)移酶家族蛋白（WSD1-like）、3-酮酰CoA合成酶（KCS）和脂肪酰CoA還原酶（FAR）3個候選基因［37]。擬南芥中涉及蠟質(zhì)合成、分泌和調(diào)控的基因有20余個［46]，通過生物信息手段分析其中10個基因的油菜同源基因，發(fā)現(xiàn)有44個拷貝，除了CER10外，每一個擬南芥基因在油菜中有4個或更多同源基因［47]。

3 葉型

花葉是由于葉片深度缺刻造成，在油菜、芥菜中均有花葉自然突變體。油菜花葉是單基因不完全顯性遺傳，由于A10染色體LMI1基因啟動子區(qū)域插入突變所致［48，49]。白菜QTL定位及基因注釋分析認為CYCD3；1、CYCB2；4、AN3、ULT1和ANT基因與葉片大小有關［35]。遺傳基因組學研究發(fā)現(xiàn)，白菜A03、A09和A10染色體分別攜帶有控制葉型的KRP2、ERECTA和LONGIFOLIA1等基因［50]。

4 矮稈

甘藍型冬油菜株高一般在180～200 cm，容易倒伏，不利于機械收獲。由于油菜收獲指數(shù)低（0.28～0.35），所以一些育種家認為油菜植株應高大。但矮稈是水稻、小麥等作物第一次“綠色革命”的目標性狀，油菜能否培育出矮稈高產(chǎn)品種近年受到重視?？刂浦参锇捫誀畹幕蛏婕暗匠嗝顾?、生長素、油菜素內(nèi)酯和獨腳金內(nèi)酯的合成、轉(zhuǎn)運和傳導。油菜中現(xiàn)有矮稈突變體多是化學誘變產(chǎn)生的堿基替換的結(jié)果，株高在70～100 cm，表現(xiàn)為單基因半顯性遺傳。已經(jīng)定位的矮稈基因位于油菜A03、A06、A09和C05、C07、C09染色體上，A03染色體的矮稈基因編碼控制生長素合成的IAA7［51]，C05染色體的矮稈基因編碼控制赤霉素合成的GID1［52]，其他已克隆的油菜、白菜矮稈基因都編碼控制赤霉素傳導的RGA基因［53～59]。油菜是無限花序作物，如果變成有限花序，株高也會降低。決定油菜有限花序的基因定位在A10染色體，編碼TFL1基因［60，61]。通過株高QTL定位、整合和候選基因鑒定，發(fā)現(xiàn)油菜有287個控制株高的候選基因［62]。

5 花色

油菜種植面積大、花期長、花色鮮艷，近年來以觀賞油菜花為主題的油菜花節(jié)助推了鄉(xiāng)村旅游的興起，需要培育紅色、紫色、彩色等不同花色的油菜品種。傳統(tǒng)的油菜花一般是黃色（鮮黃色、金黃色、桔黃色），通過遠緣雜交已將甘藍（白花芥藍）、蘿卜、諸葛菜等植物的白花、紫花和紅花等性狀導入到油菜中。影響花色的色素物質(zhì)主要有三類，即藍色到紅色的花青素、紅色的甜菜素和黃色到帶紅色的類胡蘿卜素，這些色素的組成和含量決定花色的變化［63]。油菜桔黃色花是由2個隱性基因位點控制，其中一個位點定位在C09染色體，編碼類胡蘿卜素代謝途徑玉米黃素環(huán)氧化酶ZEP基因［64]。由白花芥藍轉(zhuǎn)移到油菜的白花性狀是單基因顯性遺傳，基因定位在C03染色體，編碼類胡蘿卜素裂解雙加氧酶基因CCD4［65，66]，白花是由于轉(zhuǎn)座子插入所致。芥菜乳白花性狀是由2個隱性基因控制，分別定位在A02和B04（B06［8]）染色體，編碼硫酯酶家族蛋白PES2和PES1基因［67，68]。

6 種子顏色

油菜未成熟種子為綠色，成熟種子為黑色、褐色或黃色。在相同遺傳背景下，油菜黃色種子比黑色、褐色種子含油量更高，種皮更薄，不含原花色素。因此選育黃籽油菜品種是重要的育種目標。在自然界還沒有發(fā)現(xiàn)甘藍型黃籽油菜，將白菜型油菜、芥菜型油菜、白芥（Sinapis alba）中發(fā)現(xiàn)的黃籽性狀通過種、屬間雜交轉(zhuǎn)移到油菜中，培育出了甘藍型油菜黃籽類型。白菜和白菜型油菜黃籽性狀基因分別定位在A06和A09染色體，A06染色體TTG1基因調(diào)控種子顏色［69，70]，A09染色體有2個編碼轉(zhuǎn)錄因子的基因TT1和TT8被認為調(diào)控種子顏色［71～73]。芥菜型油菜黃籽性狀基因定位在A09和B03（B08［8]）染色體［74，75]，同樣編碼TT8基因，但芥菜型油菜黃籽很可能不是來源于白菜型油菜黃籽，因為突變位點不同［71，75]。

7 多室

油菜一般由1個假隔膜將角果分為2室，但也發(fā)生了天然的3或4室突變，這種具有3或4室的油菜稱為多室油菜。多室油菜每角果種子數(shù)增加，有利于提高單產(chǎn)。白菜型黃籽油菜中突變形成的多室油菜是由于A04染色體CLV3基因單堿基替換所致［76，77]，而芥菜型黃籽油菜中突變形成的多室油菜是由2個隱性基因控制，分別位于A07和B07（B03［8]）染色體，均編碼CLV1基因［78～80]。

8 總結(jié)

油菜及其近緣植物已定位、克隆的形態(tài)標記性狀基因列于表1。從表1可見：（1）控制同一性狀的基因往往不只1個，而是多個。（2）這些控制同一性狀的多個基因可能位于不同代謝途徑（如矮稈），也可能位于同一代謝途徑（如紫葉）。如果通過基因編輯等手段創(chuàng)制新的種質(zhì)，可以選擇不同途徑、不同靶標基因進行研究。（3）異源四倍體的油菜、芥菜控制性狀的基因數(shù)目一般是其祖先親本種白菜、甘藍的2倍，在相同的染色體或同源區(qū)段能找到同源基因，這為進一步克隆油菜基因提供了借鑒。

表1 油菜及其近緣植物已定位和克隆的形態(tài)標記性狀基因

續(xù)表1