甘蓝型油菜基因组与花色遗传研究进展

朱吉风，张俊英，杨立勇，蒋美艳，江建霞，李延莉，王伟荣，周熙荣

（上海市农业科学院，上海 201403）

油菜作为世界四大油料作物之一，在人类生活中占据重要地位。我国油菜常年种植面积约761万公顷、年均总产量约118.5亿千克，居世界首位；我国菜籽油年均产量约450万吨，占国内植物油总消费量的19.7%，是当前我国国产食用植物油的主要来源［1]。在三大油用油菜（甘蓝型油菜、芥菜型油菜与白菜型油菜）中，甘蓝型油菜（Brassica napus L.）因籽粒产量高、株型好，是目前我国油菜生产中的最大栽培类型［2，3]。

1 甘蓝型油菜基因组学研究进展

甘蓝型油菜（AnAnCnCn，2n＝4x＝38）属十字花科（Cruciferae）芸薹属（Brassica），为异源四倍体，基因组大小约1130 Mb［4]。甘蓝型油菜兼具油用、菜用、蜜用、肥用以及饲用等多重功能［5]。加强油菜基因组学研究，对有效利用现代分子生物学手段推进油菜遗传改良具有重要意义。

构建遗传图谱是基因组学研究的重要环节，是基因定位与基因功能研究的基础，是分子育种的重要依据。国内外通过开发大量的RAPD、AFLP和RFLP等油菜分子标记构建了甘蓝型油菜遗传图谱，如：1991年Landry等发表了甘蓝型油菜第一张包含103个RFLP标记的遗传连锁图谱［6]；2001年Lombard和Delourme在前人构建的图谱基础上，利用同工酶标记和3种DNA标记（AFLP、RFLP与RAPD）构建了一张遗传整合图谱［7]。随着分子技术的发展，遗传图谱构建所用的标记类型也由传统的RFLP、RAPD等标记发展到SSR、EST-SSR和DArT、SNP等多种类型的分子标记（表1），构建的甘蓝型油菜遗传图谱有了很大的改观。如2012年Raman等构建了图谱长度为2288 cM、包含135个SSR和437个DArT标记的遗传连锁图谱［9]；2013年Liu等构建了一张覆盖甘蓝型油菜全基因组的高密度遗传连锁图谱［10]；2016年Nurhasanah和Ecke基于AFLP与SSR标记构建了图谱长度为2003 cM、包含568个遗传位点的遗传图谱［11]，等等。

随着测序技术的不断发展，研究者开始利用全基因组测序开发分子标记。2012年Hu等利用454测序技术开发了655个SNP标记［16]；2016年Mahmood等通过重测序技术开发了538 691个In／Del标记，构建了包含108个In／Del和89个SSR标记的遗传连锁图谱［17]，使得甘蓝型油菜遗传图谱的质量进一步提升。2014年Chalhoub等联合完成了对甘蓝型油菜典型材料“ZS11”的全基因组测序工作，构建了甘蓝型油菜基因组草图［20]。新型标记的应用以及甘蓝型油菜全基因组测序的完成为构建高密度遗传连锁图谱、定位包括花色在内的重要性状基因提供了强有力的工具，同时也为甘蓝型油菜重要性状基因克隆以及分子标记辅助育种创造了机遇。

表1 部分甘蓝型油菜遗传连锁图谱Table 1 Part of genetic linkage maps of rapeseed

2 油菜花色研究进展

花瓣颜色作为植物重要的表型性状，因具备表型直观、遗传稳定、不易受环境影响等优点，一般作为一种指示标记应用于田间品种的选育。油菜花色是指其成熟花瓣的颜色，主要有金黄色、橙黄色、桔红色、鲜黄色、乳白色、白色、微紫丝白色以及黄白嵌合体等［2]。花是油菜的生殖器官，花色不仅可以作为一种指示性状用于育种，还能够引导昆虫取食、授粉，降低病毒病的发生和危害［2，21，22]。

2.1 油菜花色变异来源

甘蓝型油菜花瓣颜色存在丰富的遗传变异。其变异来源主要分为3类：（1）自然变异，如甘蓝型油菜的白色花瓣自然突变体［23]；（2）人工诱变，包括化学诱变与物理辐射；（3）基因转育，主要通过远缘杂交、染色体加倍等方法，将萝卜、白菜、甘蓝等花色基因渗入到甘蓝型油菜中或合成新型甘蓝型油菜［2，24]。

2.2 油菜花色与其他性状的关联性

油菜育种目标主要为高产、优质、高抗。双低（低芥酸、低硫甙）是优质油菜选育的目标。刘雪平等研究认为，甘蓝型油菜白花性状与高芥酸连锁紧密，并筛选到一个与黄花和低芥酸基因均连锁的RAPD标记S92-1400［25]。所以，可将花色作为指示性状进行田间低芥酸油菜品种选育。也有研究发现，油菜白花胞质不育系生活力差、硫甙含量高以及仅有白花基因的种子活性差等［2，22]。此外，部分研究报道油菜花色与不育基因虽独立遗传，但可利用花色进行田间去杂，以保证制种亲本的纯度［22，26，27]。

2.3 油菜花色遗传研究

1929年Pearson首次对油菜花色在遗传水平上进行了研究。随着研究者对油菜花色遗传规律的深入研究，发现油菜花色不仅种类多，其遗传也较为复杂。已有的研究成果表明，若选用不同的材料研究花色性状，所获得的遗传规律可能不同。较多学者认为油菜白花属于单基因遗传，为质量性状［28～30]，但田露申等认为油菜白花是受两对基因和多个微效基因控制的数量性状［23]。于澄宇等研究发现，甘蓝型油菜黄白嵌合突变体中白色是隐性基因控制，并在局部表达［31]。Zhang等对某些人工合成的甘蓝型油菜研究发现，花色可能受到细胞核和细胞质基因的共同影响［32]。周熙荣等在甘蓝型油菜显性核不育橙黄花纯合两型系选育过程中发现，橙黄色对鲜黄色为隐性，由两对重叠核基因控制［27]。另外，有的研究者认为花色表型可能与染色体组成和数目有关，如，Tisakal等通过细胞融合技术得到具有白花性状的融合植株（47条染色体），而当回交至38条染色体时，花瓣又恢复至黄色［33]，等等。

2.4 油菜花色基因研究

近年来，随着分子生物学技术的快速发展，遗传标记已被广泛应用于遗传图谱构建、基因／QTL定位、分子标记辅助育种等。基于已经构建的遗传连锁图谱，一些与花色性状连锁的标记位点被逐步挖掘（表2）。如：董育红等在甘蓝型油菜中开发了与白花基因连锁的RAPD标记［34]；刘雪平等筛选到一个与黄花紧密连锁的RAPD标记［25]；Huang等通过性状—标记关联分析，获得了与白色花瓣基因紧密连锁的分子标记，并用于分子标记辅助育种［35]。上述研究仅是针对油菜花色基因进行初定位研究，直到2014年才有了油菜花瓣颜色功能基因的报道。Lee等通过性状—标记关联分析在白菜型油菜A9染色体上获得花瓣乳黄色基因BrCRTISO1，该基因属于类胡萝卜素异构酶基因，编码589个氨基酸［36]；Zhang等通过图位克隆技术在甘蓝型油菜染色体C3上获得控制花瓣白色性状的功能基因BnaC3.CCD4，该基因属于类胡萝卜素裂解双加氧酶基因，编码597个氨基酸［37]；Zhang等分别针对芥菜型油菜A2染色体上的白花性状基因BjPC1与B4上白花突变体基因Bjpc2进行了精细定位，并预测其对应的花色性状候选基因，同时开发了共分离标记用于分子标记辅助选择［38，39]。

3 问题与展望

油菜作为我国第一大油料作物，其稳产与高产对我国乃至世界食用植物油安全具有重要影响。目前我国种植的甘蓝型油菜主要以杂交品种为主。杂交品种的纯度会直接影响油菜的产量，因此，育种中需要通过田间去杂以保证亲本的纯度。在田间去杂过程中可能会面临杂株与亲本性状相似而难以分辨的问题，需要借助花色等指示性状进行辨别。周熙荣等［27]依据花色遗传规律，将橙黄花与显性核不育进行结合，在油菜三系制种过程中借助橙黄花去除全不育系中的杂株，从而有效地保证了杂交种的纯度。因此，加强油菜花色的遗传研究，利用油菜花色与其他性状（如高芥酸、雄性不育等）的关联性，对 提高育种效率意义重大。

表2 与油菜花色基因相关的分子标记Table 2 Molecular markers of rape flower color

3.1 存在的主要问题

近年来，甘蓝型油菜功能基因组学研究已取得很大进展，必将加快油菜育种的步伐。然而，由于甘蓝型油菜为异源四倍体，其基因组庞大，且富含大量重复序列，两个亚基因组（A和C）之间还存在着丰富的基因或DNA序列置换现象［20，40]，这些复杂的遗传背景使得甘蓝型油菜遗传研究远远落后于拟南芥、水稻、大豆、玉米等二倍体植物，严重制约了甘蓝型油菜的功能基因发掘与分子育种工作。迄今为止，相较于其他二倍体植物，甘蓝型油菜主要农艺性状的控制基因克隆的极少，针对主要农艺性状开发的分子标记多为RAPD、AFLP等不能区分杂合位点的显性标记。此外，由于针对目标性状开发的分子标记在实际应用过程中可能会存在一些限制，如不同群体中标记—性状连锁的紧密程度不一致、遗传距离很近但物理距离却相距很远，这些问题均阻碍了油菜重要性状机制研究与分子育种进展。特别是种类繁多的花色性状，与其他植物花色研究相比，油菜花色研究极其不足。

综上，目前油菜花色研究中存在的障碍主要有四点：（1）油菜花色与其他主要农艺性状关联性研究不足；（2）甘蓝型油菜参考基因组信息量缺乏；（3）基因验证技术体系不完备；（4）基础研究与育种结合不紧密，已开发的功能标记在育种中应用极少。

3.2 展望

花色是辅助人工去杂或田间选育的有利工具，为充分发挥油菜花色在分子育种或品种选育中的应用潜力，必需加强油菜花色遗传研究。虽然甘蓝型油菜遗传背景复杂，但在遗传研究中可借助油菜的两个基本种甘蓝和白菜，克隆目标基因、解析基因的功能等。随着测序技术的快速发展以及测序成本的不断降低，可利用简化基因组测序等方法来发掘花色基因，通过比较基因组学借助模式植物拟南芥的基因组信息来解析油菜候选基因功能，以深入挖掘油菜花色基因与其他重要农艺性状之间的相关性，将油菜花色基因与现代育种技术相结合，以保障油菜花色作为一种指示性状在田间品种选育过程中的有效应用。