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华中科技大学栗茂腾团队——多组学分析揭示甘蓝型油菜花瓣颜色调控新位点 | Plants 精选

已有 2713 次阅读 2024-4-17 16:17 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

原文出自 Plants 期刊

Ding, Y.; Li, H.; Liu, X.; Cheng, X.; Chen, W.; Wu, M.; Chen, L.; He, J.; Chao, H.; Jia, H.; et al. Multi-Omics Analysis Revealed the AGR-FC.C3 Locus of Brassica napus as a Novel Candidate for Controlling Petal Color. Plants 202413, 507.https://doi.org/10.3390/plants13040507

    

甘蓝型油菜 (Brassica napus) 是重要的油料作物,是食用植物油的主要来源之一。由于甘蓝型油菜花色艳丽、且当前花色种类较多,故除油用外,其观赏价值越来越受到重视。目前,对于油菜花色调控的遗传机理仍有待进一步研究。基于此,来自华中科技大学生命科学与技术学院栗茂腾教授团队在 Plants 期刊发表了标题为“Multi-Omics Analysis Revealed the AGR-FC.C3 Locus of Brassica napus as a Novel Candidate for Controlling Petal Color ”的文章,博士生丁忆然和李怀鑫为并列第一作者,栗茂腾教授和付春华教授为并列通讯作者。本文通过BSA和RNA-Seq联合分析,鉴定到了调控花色的关键位点,并开发了区分白色和橙黄色花瓣的分子标记,对后续油菜多色花瓣育种提供新的参考。

    

研究过程与结果

该团队将花瓣为橙黄色 (16287,简写YP) 的自然突变体和花瓣为白色 (16214,简写WP) 的株系进行了杂交获得了F1代,田间观察发现所有F1植株的花瓣都是浅橙色;F1自交获得了F2代材料,花瓣颜色观察显示,F2代共存在五种不同的花瓣颜色。次生代谢产物分析表明,橙黄色花瓣中的类胡萝卜素含量显著高于白色花瓣 (图1)。

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图1. 甘蓝型油菜橙黄色花瓣和白色花花瓣表型差异。(A) 两亲本WP和YP在花前4天 (S1)、花前2天 (S2) 和盛花当天 (S3) 三个发育阶段的表型;(B) 杂交后代F2群体中不同花色的个体数;(C) 类胡萝卜素含量测定。

   

为研究花瓣颜色产生差异的遗传基础,该团队分别对F2群体中的具有白色和橙黄色花瓣的单株构建了混池,并进行了BSA (Bulked Segregant Analysis) 测序分析。分析结果显示,在ChrC03上存在一个9.46 Mb的基因组区域 (AGR-FC.C3) 与花瓣颜色高度相关,该区间内包含951个基因 (图2和图3)。

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图2. BSA中检测到的InDel、SNP、Δ(SNP-index) 及RNA-Seq中基因表达水平。其中,最外圆表示19个连锁群。

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图3. 甘蓝型油菜白色花瓣和橙黄色花瓣的BSA分析。(A) 与Darmor_bzh基因组进行比对后19条染色体上的∆(SNP-index);(B) 从Darmor_bzh基因组到ZS11基因组的ChrC03上AGR热点区域的比对;(C) ChrC03上AGR热点区与ZS11基因组比对的∆(SNP-index)。

   

为阐明花瓣颜色变化的潜在机制,作者随后对S1、S2和S3三个阶段的橙黄色花瓣和白色花瓣进行了时序转录组测序分析。将从BSA中获得的基因与通过RNA-Seq获得的差异表达基因进行联合分析,鉴定出了51个可能与花瓣颜色变异相关的候选基因,其中BnaC03.CCD4在橙黄色花瓣和白色花瓣之间表达差异最大,且在白色花瓣中显著上调表达 (图4)。此外,还鉴定到一些可能在甘蓝型油菜花瓣颜色调控中起重要作用的新基因,如BnaC03.MYB4、BnaC03.MYB85、BnaC03.ENDO3、BnaC03.T22F.8180、BnaC03.Q8GSI6、BnaC03.LSD1、BnaC03.MAP1Da、BnaC03.MAP1DbBnaC03G0739700ZS

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图4. BSA与转录组测序联合分析。(A) 通过BSA和YP-S1 vs. WP-S1、YP-S2 vs. WP-S2、YP-S3 vs. WP-S3中DEG筛选ChrC03热点区域中候选基因的Venn图;(B) 51个候选基因差异表达倍数的热图,红色代表上调表达,蓝色则表示下调表达;(C) 51个候选基因的GO分析;(D) 51个候选基因的KEGG富集分析。

    

作者对橙黄色花瓣和白色花瓣中BnaC03.CCD4的内含子与启动子的序列进行了序列分析,结果表明,二者之间在序列上存在较大差异;这些序列差异可能因此影响了其可变剪接及表达量。最后,根据橙黄色花瓣和白色花瓣材料之间BnaC03.CCD4的序列差异设计了分子标记,并在白花和橙黄色样本进行了验证,该标记的开发为不同花瓣颜色的甘蓝型油菜株系快速鉴定提供了技术支持 (图5)。

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图5. BnaC03.CCD4序列差异和分子标记设计。(A) 16214和16287中BnaC03.CCD4基因序列差异,引物PF1/PR1设计在16214的启动子区域,引物PF2/PR2设计在16287的内含子区域;(B) 在16214、16287以及两亲本杂交所得217个F2代个体中验证分子标记和花瓣颜色的连锁关系。

研究总结

本研究通过BSA鉴定到一个重要的花色调控基因位点AGR-FC.C3。结合时序转录组分析,除鉴定到BnaC03CCD4外,还鉴定出部分可能对甘蓝型油菜花瓣颜色起调控作用的新基因,如BnaC03.MYB4、BnaC03.MYB85、BnaC03.ENDO3、BnaC03.T22F.8180、BnaC03.Q8GSI6、BnaC03.LSD1、BnaC03.MAP1Da、BnaC03.MAP1DbBnaC03G0739700ZS。此外,作者还为已报道的功能基因BnaC03.CCD4开发了两个分子标记,以区分花瓣的白色和橙黄色。为解析甘蓝型油菜花瓣颜色的调控机制以及构建花色调控网络提供了理论支撑,并为后续油菜多色花瓣育种提供了新的鉴定方法。

Plants 期刊介绍

主编:Dilantha Fernando, University of Manitoba, Canada

期刊内容主要涉植物科学领域的研究,目前已被 SCIE、Scopus 等数据库收录。

2022 Impact Factor:4.5

2022 CiteScore:5.4  

Time to First Decision:15.3 Days 

Time to Publication:41 Days

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