甘蓝型油菜硫苷合成调控和转运关键基因的克隆及作用机制研究

Glucosinolates are a class of important secondary metabolites found mainly in Brassicales, such as rapeseed. Because of the distinctive benefits for plant defense and human nutrition of their associated degradation products, research on these compounds has been extensively conducted. However, some degradation products of glucosinolates are toxic and anti-nutritive for animal, as well. Therefore, it is necessary to selective control the biosynthesis and distribution of glucosinolates, according to the biological functions. Because of rapeseed is the main source of edible vegetable oil and rapeseed meal in China, it is no doubt that both of maintaining the resistance and improving the edible safety of rapeseed are important. The aim of the present project is to identify the Bn2R-MYB genes involved in the regulation of glucosinolate biosynthesis and the BnNPF transporter genes of glucosinolates in Brassica napus, based on the newly finished genome sequencing project of it. To identify the key candidate genes involved in regulating glucosinolate biosynthesis and glucosinolates translocation, respectively, we will further analyze the expression patterns of the candidates, as well as their functions and functional mechanisms. Our results will provide key gene resources for molecular breeding to breed low level of glucosinolates in seeds while high level in vegetative tissues. This project is expected to get 2 to 3 relative inventions patented, publish 4 to 6 SCI papers, including 2-3 papers published in journals with impact factors around 6, and train 3 to 4 graduate students.

硫代葡萄糖苷（Glucosinolatcs，简称硫苷）是油菜等十字花科植物重要的次生代谢产物。因其降解产物对植物抗性和人类营养健康具有重要作用，而备受关注。但是部分硫苷的降解物也对动物具有毒性和抗营养作用。因此，生产中有选择地引导硫苷的合成和分布，充分发挥其生物有效性是很有必要的。油菜是中国最主要的食用植物油源和饲料蛋白源，保持油菜抗性和提高菜籽饼粕的食用安全性均很重要。鉴于此，本项目拟基于本课题组新近参与完成的甘蓝型油菜基因组测序数据，鉴定硫苷合成调控的Bn2R-MYBs基因和转运的BnNPFs基因；解析候选基因的表达特性、功能及作用机理；获得甘蓝型油菜硫苷合成调控和转运关键基因，为分子育种培育油菜籽低硫苷、营养体高硫苷油菜品种提供关键基因资源。本项目拟申请获得发明专利2-3项，在SCI期刊发表学术论文4-6篇，影响因子大于6的SCI文章2-3篇，培养研究生3-4名。

硫代葡萄糖苷（硫苷）是油菜等十字花科植物中的一类重要的次生代谢产物。由于其降解产物在防御植株病虫害和人类抗癌等方面具有重要作用，而备受关注。目前国内主要通过推广种植双低油菜以降低硫苷对人畜潜在的威胁。但这同时也降低了植株的抗性和对人体有益的硫苷组分的含量，没有充分发挥硫苷的生物有效性。鉴于此，本项目结合系统进化分析、表达谱分析、共线性分析、共表达分析和基因功能研究等方法，鉴定油菜中调控硫苷合成的Bn2R-MYBs基因和转运硫甘的BnNPFs基因。我们详细解析了2R-MYB转录因子基因家族在50个真核生物，特别是陆生植物中的分子进化机制；重点解析了2R-MYB基因在17个十字花科植物，特别是油菜基因组中的分布规律、结构特征和表达谱等；发现了5个十字花科植物特异起源或缺失的亚家族和一个锦葵科特异的亚家族（S12）；证明白菜和甘蓝的异源加倍是导致油菜中庞大基因数量的主要原因。同理，在油菜中鉴定获得了198个NPF基因（BnNPFs）；发现部分硫苷转运基因（如BnNPF2.16）可以协调氮和硫苷的转运过。同时，鉴定了17个陆生植物中硫苷合成和代谢途径35个基因家族的基因，发现硫苷合成相关基因特异存在于十字花科植物。在油菜基因组中共鉴定了344个硫苷合成相关基因，基因组异源加倍是该代谢途径基因扩增的主要机制。构建了低硫苷油菜品种中双11号（ZS11）和高硫苷品种中油821（ZY821）不同发育时期的RNA-Seq转录组数据。ZS11和ZY821中硫苷合成相关基因主要在根、茎、叶等营养组织中高表达，在角果和种子中低表达，且都集中在硫苷合成途径的核心结构过程；脂肪族硫苷合成相关基因在ZY821中的表达量明显高于ZS11，而吲哚族硫苷合成相关基因的表达量差异不大，且14个DEGs 都参与调控硫苷核心结构合成过程。表明高、低硫苷品种中硫苷含量的差异主要因为在核心结构合成过程中脂肪族硫苷含量降低引起，其中CYP79F1和CYP83A1是主要基因。克隆了8个油菜中的Bn2R-MYBs和4个BnNPFs基因，在拟南芥和油菜中的基因功能研究初步证明其中4个候选基因对硫甘调控和转运的具有重要作用。