中国油菜生产及遗传改良潜力与油菜生物柴油发展前景

在全球面临石油资源贫乏而能源需求量日益增加的状况下,世界主要国家已确立并开发出新的替代型能源。我国石油储备与供应矛盾更加恶化,寻找有效的替代型能源更在眉睫。本文从建国以来我国油菜遗传改良与生产历史及现状出发,分析我国发展能源油菜的可行性及必要性,由此提出作为食能兼用型油菜的遗传改良及生产措施,并提出了国家发展能源作物及生物柴油策略。

甘蓝型油菜SSR核心引物研究

为了确定一组适用于品种纯度鉴定和遗传多样性分析的SSR核心引物,以100份具有代表性的甘蓝型油菜品种（系）为研究材料对746对SSR引物进行筛选,综合考虑PIC（平均多态信息量）值大小、引物重复性、扩增带型清晰度、连锁群分布等因素,确定44对引物为甘蓝型油菜核心引物,其中20对引物为首选核心引物,24对引物为备选核心引物。20对首选核心引物每对可检测到3~9个多态性位点,PIC值介于0.56~0.80,共检测到102个位点,分布于11个连锁群上。随机抽取1对核心引物对一个杂交组合大田制种F1纯度进行鉴定,其鉴定结果与田间自然鉴定结果一致,并可同时鉴别出来源于父本及外来的混杂单株。将44对核心引物应用于品种的系谱分析和100份品种遗传多样性聚类分析,同样得到了很好的验证结果。该套SSR核心引物适用于甘蓝型油菜品种鉴定及遗传多样性研究。

芥菜型油菜多室角果的解剖特征及遗传分析

采用石蜡切片、杂交和回交技术研究了芥菜型油菜多室材料J163角果的形态特征、单株产量性状构成和遗传控制机制。结果表明,J163的角果由4心皮发育而来,4个果瓣包围种子,2个假隔膜平行,将角果分隔成3个腔室;假隔膜发育稳定,无假隔膜发育障碍或中途退化而形成多室与两室角果嵌合现象;尽管多室材料的千粒重和单株有效角果数均小于两室材料,但多室材料每角粒数和单株产量显著提高,说明多室性状(每角粒数多)有利于提高油菜产量;J163多室性状受隐性核基因控制,无细胞质效应,J163和两室材料J248间在多室位点上存在2对基因差异,但J163的多室性状基因是否为2对独立隐性基因还需进一步研究。上述结果也说明J163是新型芥菜型油菜多室材料。

甘蓝型油菜“棒状”突变体的发现及初步研究

新近,傅廷栋院士在5148-2与黄籽DH系YN90-1016的杂交F1经小孢子培养获得的DH系群体中,发现了一个"棒状"突变体。其表现为矮杆、株型紧凑、主花序及分枝短小簇生、角果不易炸裂、花期集中,非常适合高密度种植和机械化收获。利用SSR技术,对其进行了分子鉴定,并对其遗传规律进行了初步分析。

我国油菜生产、改良与食用油供给安全

通过比较大宗食用植物油的品质特性,以及分析我国食用植物油的消费与供给、油菜的生产现状及存在问题与发展潜力,明确了我国油菜生产在我国植物油供给中的重要地位,发展油菜生产是保障我国食用油供给的根本途径。并由此提出了发展油菜生产的主要措施:加强油菜相关研究,着实解决我国油菜生产上存在的问题;规范种业市场,促进我国油菜种业健康发展;加强油菜籽的加工研究与利用,提高附加值。

油菜细胞质雄性不育及恢复的分子机理研究进展

对油菜来说,细胞质雄性不育决定于线粒体基因组中的不育基因,质、核基因间的互作表现在核育性恢复基因对质不育基因的表达调控上,那种认为油菜CMS的产生是简单的质核不配套、不协调的结果而完全忽略线粒体基因组中不育基因的存在与作用是不科学的。油菜CMS的产生是线粒体基因组DNA发生重排造成的,已知油菜线粒体不育基因主要有orf224、orf138|orf125、orf263、orf193、orf222等,这些基因通常与atp6、atp8或atp9等线粒体功能基因嵌合共转录,但这些基因的作用机制仍不清楚。油菜pol CMS、nap CMS和ogu CMS的育性恢复基因不直接对不育基因的转录产生作用,而表现为转录后或翻译水平上的调控,使得不育基因的表达受到抑制而恢复CMS的育性。今后一段时间油菜CMS相关研究重点在于分析不育基因的结构特征与来源,在此基础上阐述不育基因的作用机理以及育性恢复的分子机制。

甘蓝型油菜抗菌核病研究进展

由真菌核盘菌(Sclerotinia sclerotiorum)引起的油菜菌核病是世界范围内最严重的病害之一,也是影响油菜高产稳产的主要生物逆境。选育抗菌核病油菜品种并在生产上大面积种植是防控菌核病最经济有效和环保的途径。本文从核盘菌的致病机理、油菜抗菌核病的遗传控制、抗病基因表达谱和抗性相关基因的应用等方面综述了油菜抗菌核病研究有关的最新进展。

甘蓝型油菜多主花序性状的表型特点与遗传分析

为改良油菜株型以提高产量和适应机械化,分析多主花序油菜的表型特点和遗传规律,利用1个甘蓝型油菜多主花序突变体和1个单主花序普通材料,通过扫描电镜观察甘蓝型油菜多主花序材料顶端分生组织发育过程,认为多主花序性状的形成与顶端分生组织的异常发育有关。对F1、RF1以及分离群体做表型鉴定,结果表明:多主花序性状在两个供试亲本材料间存在1对显性基因的差异,无细胞质效应。利用油菜60K SNP芯片结合分子标记技术,初步构建多主花序基因MI的遗传连锁图谱,两侧最近标记L04-2和L06-14与目标基因的遗传距离分别为4.4 cM和9.3 cM,物理距离为2.5 Mb。

油菜miRNA研究现状与展望

MicroRNA(miRNA)是一类在真核生物体内广泛存在,长度为20～24 nt的内源性非编码小分子RNA,通过介导靶基因的剪切或翻译抑制,实现转录后基因表达调控,对多种生命活动起重要作用。随着高通量测序技术的发展,植物miRNA的研究取得重要进展。油菜是重要的油料作物,目前已挖掘出大量油菜miRNA和靶基因。本文综述了近年来油菜miRNA参与杂种优势、种子发育、多倍化以及逆境胁迫等调控的研究概况,并对miRNA在油菜中的研究进行展望,为今后进一步研究提供参考。

CRISPR/Cas9编辑芥菜型多心皮油菜BjROP10基因的研究

油菜多心皮性状可显著增加油菜的每角果粒数,在油菜高产育种中有潜在的应用价值。前期研究发现,芥菜型多心皮油菜J163-4可形成稳定的四心皮性状,且小G蛋白基因BjROP10可能参与调控其多心皮的形成,但其分子机制尚不明确。本研究利用CRISPR/Cas9技术,构建了BjROP10的双靶点载体,并遗传转化芥菜型多心皮油菜J163-4。在T_(0)代,通过筛选鉴定获得了20株阳性苗,其中13株心皮数目发生改变。通过测序分析了7株心皮数发生变化的转基因阳性植株的BjROP10序列突变情况,结果显示其目标基因序列发生变异,导致无法编码形成正常的BjROP10蛋白。本研究对进一步解析BjROP10基因响应CLV信号调控油菜心皮数发育的功能提供了材料基础,也为研究油菜多心皮性状发育的分子机制奠定理论基础。

芥菜型油菜多室基因Bjmc2的精细定位

芥菜型多室油菜的产量比普通两室油菜更高,定位乃至克隆多室基因可为油菜遗传改良及解释多室角果形成机制创造条件。本研究通过验证JD11-2家系衍生群体仅在BjMc2位点上存在差异,可用于BjMc2的定位。采用AFLP结合BSA法分析BC5和BC6群体,筛选到1个与BjMc2连锁的AFLP标记并转化为SCAR标记SC1。基于该AFLP标记序列信息,利用白菜同源序列设计SSR引物和SCAR引物,获得11对SSR标记和1对SCAR标记。通过在芥菜型油菜BAC文库中的挑选,获得2个覆盖目标区域的单克隆,由此开发1个SSR标记。将获得的SCAR和SSR标记扫描BC7群体,构建了两室性状基因BjMc2的遗传连锁图,两侧最近标记ZX17和BACsr96与目标基因之间的遗传距离分别为0.048 cM和0.340 cM,并定位到白菜A7 Scaffold 000019的946~1014 kb之间,约68 kb物理距离。

甘蓝型油菜BnAPs基因家族成员全基因组鉴定及分析

天冬氨酸蛋白酶(AP)属于四大蛋白水解酶之一,在蛋白质加工、信号转导和胁迫反应中发挥着重要作用。甘蓝型油菜是我国重要的油料作物,利用蛋白质同源性分析,在甘蓝型油菜中鉴定出154个APs编码基因,分别编码典型、非典型和珠心类天冬氨酸蛋白酶。基因结构分析结果表明,多数BnAPs基因包含1~4个外显子,同一类型的天冬氨酸蛋白酶成员之间蛋白质基序(Motif)分布相似。共线性分析表明,甘蓝型油菜与白菜、甘蓝和拟南芥存在大量的同源基因,约89%的BnAPs基因来自于全基因组复制事件。转录水平检测结果表明,BnAPs基因家族成员在各个组织中均有表达,其中BnAP30.A05.1/A05.2/C05.1/C05.2、BnAP36.A04/C08、BnAP39.A06/C03在授粉后的柱头显著提高。BnAPs基因启动子区域顺式元件分析结果表明,逆境相关的顺式调控元件被显著富集;进一步利用RT-qPCR验证了这些富含逆境相关顺式调控元件的基因在逆境(ABA、NaCl或4℃)处理后的表达水平显著变化,推测这些BnAPs基因可能参与甘蓝型油菜对逆境的响应。进一步和拟南芥同源基因组织表达模式进行比较后发现,大约有24%的BnAPs与其同源AtAPs具有相同的表达模式。本研究为进一步解析天冬氨酸蛋白酶家族在甘蓝型油菜中的生物学功能奠定了基础。

甘蓝型油菜SnRK基因家族生物信息学分析及其与种子含油量的关系

蔗糖非发酵相关蛋白激酶(sucrose non-fermenting-1-related protein kinase,SnRK)是植物中广泛存在的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,它们参与调控植物的信号传导、逆境响应和种子生长等生物学过程。为了解析甘蓝型油菜(Brassica napus L.)中SnRK基因家族的性质及其对种子含油量的影响,本研究对BnSnRK基因家族的系统进化、基因结构、蛋白质理化性质、保守基序、蛋白质二级结构、顺式作用元件和亚细胞定位预测等进行分析,并通过候选基因关联分析、单倍型分析和qRT-PCR筛选影响种子含油量的BnSnRK基因。结果显示,鉴定得到92个BnSnRK成员,分为3个亚族,分布于甘蓝型油菜19条染色体上,亚族之间蛋白质理化性质差异显著。多数基因拥有7~14个外显子;同一亚族的motif分布情况更相似。BnSnRK家族主要在细胞质中表达,蛋白质二级结构主要以α-螺旋和不规则卷曲为主。关联分析筛选出与油菜种子含油量相关的12个家族成员,基因BnaC02g10730D可能负向调控甘蓝型油菜种子含油量,基因BnaA07g12290D、BnaA10g22850D、BnaA08g18050D、BnaC04g44390D可能正向调控甘蓝型油菜种子含油量。不同环境之间种子含油量差异显著,且与含油量相关的12个成员均含有MYB、MYC和ABA响应元件,环境特异的含油量关联基因可能与植物非生物胁迫响应相关。本研究为BnSnRK基因功能验证及育种工作提供了理论参考。

油菜细胞质雄性不育基因orf138、orf288的功能分析

为确定油菜ogu CMS不育基因orf138编码蛋白的毒性与雄性不育的关系以及hau CMS不育基因orf288的核心功能区域,对2个不育基因进行不同长度的截短,进行原核表达和拟南芥、油菜遗传转化。不育基因orf138截短研究结果显示,IPTG诱导后,转入含有跨膜螺旋的pET32a^(1-138)和pET32a^(1-93)的大肠杆菌生长受到了明显的抑制,而转入去掉跨膜螺旋的pET32a^(45-138)的大肠杆菌生长不受影响,表明ORF138的毒性区域位于包含跨膜螺旋的N端;遗传转化结果证实PS∶Rfp138^(35-138)和PS∶Rfp138^(45-138)均不能引起拟南芥和油菜雄性不育,说明N端的毒性区域是ORF138引起植物雄性不育所必需的。不育基因orf 288不同长度截短的超表达载体拟南芥转化结果显示,PS∶Rfp288^(104-288)、PS∶Rfp288^(134-288)和PS∶Rfp288^(164-288)的转基因阳性苗出现雄性不育表型,PS∶Rfp288^(194-288)的转基因阳性苗则全部可育,初步证明orf 288的核心功能区域是orf 288^(164-288),ORF288的164-194 aa可能与hau细胞质雄性不育密切相关。

Bna-novel-miR311-HSC70-1模块调控甘蓝型油菜响应热胁迫的机制

HSP70(heat shock protein 70)参与植物热胁迫应答,增强植物耐热性,但目前油菜中尚无miRNA调控HSP70基因的报道。本研究novel-miR311是利用高通量技术在甘蓝型油菜茎尖中筛选出的新miRNA。novel-miR311存在于油菜而不存在于拟南芥中, 5’-RACE技术证实其2个靶基因属热应激同源蛋白基因HSC70-1 (HSP70家族),在甘蓝型油菜体内被剪切。构建novel-miR311超表达载体,转化拟南芥和甘蓝型油菜,其转基因阳性苗中HSC70-1基因表达量显著下降。高温胁迫试验表明,拟南芥和甘蓝型油菜热胁迫后,其阳性苗的生长势和存活率显著低于其对应的对照。qPCR结果显示,油菜中HSC70-1基因表达量热胁迫后较热胁迫前上升。上述结果表明,油菜novel-miR311介导HSC70-1基因的剪切降低了拟南芥和甘蓝型油菜耐热性。

低温胁迫下甘蓝型冬油菜BnYUCCA8基因差异表达及内源生长素含量变化

甘蓝型冬油菜下胚轴长短与其抗寒性强弱呈负相关关系。为研究下胚轴伸长相关的BnYUCCA8基因对低温胁迫的响应,采用同源克隆技术从甘蓝型冬油菜中克隆了BnYUCCA8基因,其CDS全长1281 bp,编码426个氨基酸。生物信息学分析表明,BnYUCCA8蛋白是一个不稳定的疏水性蛋白,与埃塞俄比亚芥和甘蓝中YUCCA8蛋白的亲缘关系最近。荧光定量PCR结果表明,BnYUCCA8在叶和根中表达量最高,花和角果中表达量相对较低,且苗期表达量高于花期。随低温胁迫加剧,BnYUCCA8表达量总体呈降低趋势,且‘天油2288’(下胚轴伸长较长的弱抗寒品种)较‘16VHNTS158’(下胚轴伸长较短的强抗寒品种)基因表达量高。内源IAA含量的测定结果表明,在低温处理24 h时,‘16VHNTS158’中IAA含量在4℃、0℃、-4℃较常温(22℃)分别降低68%、92%、97%,‘天油2288’中分别降低了77%、89%、94%,且‘16VHNTS158’较‘天油2288’IAA含量在常温、4℃、0℃、-4℃分别低19%、14%、40%、39%。对BnYUCCA8相对表达量、内源IAA含量和下胚轴长度进行相关性分析,结果表明,‘16VHNTS158’和‘天油2288’的BnYUCCA8相对表达量和生长素含量之间的相关系数分别为0.682和0.812,存在显著和极显著正相关关系,下胚轴长度与基因相对表达量之间的相关系数分别为0.54和0.41,与生长素含量之间的相关系数分别为0.427和0.591,为正相关关系。由此说明甘蓝型冬油菜BnYUCCA8可能在下胚轴长度和内源IAA含量中发挥重要调节作用。

BnABCI8影响甘蓝型油菜叶绿体发育

成熟叶绿体是高等植物光合作用的重要场所,是影响作物产量的重要器官。BnABCI8是ABC转运蛋白I亚族的成员,在甘蓝型油菜中有2个功能拷贝,分别是BnA09.ABCI8和BnC09.ABCI8,其氨基酸序列在不同物种中是非常保守的。表达模式分析发现,BnABCI8在油菜植株各个组织中均有表达,且在叶和花中表达量较高;亚细胞定位证明,BnABCI8能够定位在叶绿体中;表型鉴定发现,BnA09.ABCI8和BnC09.ABCI8的同时突变及BnA09.ABCI8的单突变均会导致黄色的子叶和褪绿的真叶,且双突变体褪绿更为严重;透射电镜结果显示,双突变体中叶绿体不能够形成正常的类囊体膜;BnABCI8的敲除导致叶绿素合成途径相关基因的表达下调,且叶片中积累了大量的Fe离子。这些结果表明,BnABCI8的突变造成叶绿体结构异常,叶绿素合成受阻,叶片中Fe离子大量积累,而Fe离子的积累又可能会引发一系列的反应如活性氧积累,细胞死亡和叶绿素降解等,最终导致了叶色突变。