油菜种子含油量细胞质效应的分子机理解析

Seed oil content is one of the most important agronomic traits in rapeseed (Brassica napus L.). Thus, high-oil cultivars are the key target for breeding. Nuclear genome has been demonstrated having a crucial role in lipid synthesis and regulation. However, numerous studies suggested that cytoplasmic genomes could also play critical parts in oil accumulation. Preliminary work in our research group has identified a mitochondrial-encoded gene ORF188 that is positively and very significantly correlated with cytoplasmic effects on oil content. Despite we have obtained some data for ORF188 function, genes governing oil content in cytoplasmic genomes and their regulatory mechanisms are still mysterious. In this project,we aim to screening for rapeseed cultivars with different cytoplasmic effects on oil content,to identify novel genes in cytoplasmic genomes controlling oil accumulation viade novo sequencing, with combinational technologies of comparative genomics, comparative transcriptomics and population genetics.Furthermore, by functional characterizations of the molecular mechanisms of these genes including ORF188 in the regulation of seed lipid accumulation and pathways in which they involved, our research work would enrich theory on maternal control of oil content and provide new scientific guidance for breeding of high-oil rapeseed cultivars.

种子含油量是油菜最重要的农艺性状之一, 提高含油量也是油菜育种的主要目标。虽然细胞核基因组在油脂合成与调控中发挥重要角色,有大量研究也表明细胞质基因组效应对含油量油脂积累具有重要作用。本研究团队前期鉴定出线粒体编码的一个基因ORF188与含油量细胞质效应极显著相关。尽管目前有一些研究进展，但是细胞质基因组控制含油量的诸多基因及其作用机制仍然未知。本课题拟筛选出具有不同含油量细胞质效应的油菜品系，针对这些品系分别进行细胞质基因组的de novo测序，结合运用细胞质比较基因组学、比较转录组学和群体遗传学技术手段鉴定含油量细胞质效应功能基因；同时,开展分子生物学研究阐明这些基因（包括ORF188）调控种子油脂积累的分子机理和作用途径。研究结果将丰富含油量母体调控理论，为油菜高含油量育种提供新的科学指导。

种子含油量是油菜育种的关键性状之一。尽管目前在大部分研究中发现细胞核基因组在油脂合成与调控中发挥了重要作用，叶绿体和线粒体作为细胞中的两大关键细胞器，其基因组对含油量油脂积累也具有显著的影响。我们前期对油菜正反交材料F1代和F2代含油量检测发现，细胞质效应可影响种子含油量1-3个百分点，其中51218和56366正反交材料之间的细胞质效应贡献率约5个点。通过对51218和56366细胞质基因组测序、开发相应标记进行群体正反交材料含油量性状的关联分析，获得细胞质效应调控基因ORF188。在细胞质负效应油菜56366中过表达该基因，含油量最高可增加4个百分点。ORF188编码线粒体膜蛋白，为nap（nap-like）型线粒体所特有的新进化形成的嵌合基因。该基因可提高ATP酶复合体稳定性和酶活，参与调控线粒体能量代谢途径促进ATP产生，增加种子油脂合成和积累所需的能量供应进而提高含油量。研究结果可对油菜不同杂交组合含油量潜力进行预测，为油菜高油育种过程中杂交方式的选择提供依据。同时，由于作为植物遗传信息重要组成部分的细胞器（叶绿体和线粒体）基因组的研究相对较少，为全面深入了解油菜细胞质基因组的序列变异信息，我们对已发表的1599份甘蓝型油菜全基因组重测序数据开展细胞器基因组变异分析。在完成甘蓝型油菜细胞质泛基因组构建的基础上，根据线粒体的序列特征进行了胞质类型鉴定；借助群体变异检测揭示了细胞器基因组的多态性、群体结构和进化关系。相关研究为进一步深入解析细胞质基因组的功能提供理论依据。