甘蓝型油菜千粒重主效QTL位点TSWA7a的功能分析

Seed size/weight is not only an important yield trait, but also an important target trait of crop domestication. However, the genetic mechanisms of seed development and seed weight difference formation are not very clear in Brassica napus. In the previous study, the largest effect and genetic stability thousand-seed weight major quantitative trait locus TSWA7a was locked in a 135Kb region through fine-mapping strategy. The candidate gene of TSWA7a was identified by using of bi-parental genomic re-sequencing data, RNA-Seq of near isogenic lines in seed/silique developing stage, the mutants’ phenotypes of Arabidopsis homoeologous genes in the TSWA7a target region, and the genotyping of the candidate gene specific markers in high-generation segregation population. On this basis, we intend to carry out the candidate gene functional analyses through candidate gene function verification (over expression and gene editing by CRISPR/Cas9), yeast two-hybrid, immunoprecipitation-mass spec, metabolomics, cytology method, and the haplotype analyses of TSWA7a; At last, the gene regulatory network of the seed weight difference formation will be constructed in B. napus. This study eventually will not only provide valuable information for understanding the genetic mechanisms and evolutionary origin of seed development and seed weight difference formation in rapeseed and even in dicotyledon, but also can provide new gene resources and molecular markers for high-yield breeding in rapeseed.

种子大小/重量既是重要的产量性状，也是作物驯化的靶标性状。目前对油菜粒重差异形成的遗传机制仍然不是十分清楚。在前期工作中，申请人通过精细定位将油菜中目前已报道的效应最大、遗传稳定的千粒重主效QTL位点TSWA7a锁定在135Kb的区段内。通过对双亲基因组重测序，近等基因系的转录组测序，目标区段内拟南芥同源基因突变体表型分析，以及候选基因特异分子标记在高世代群体中的表现，确认了TSWA7a的候选基因。在此基础上，本项目将利用候选基因功能验证（过表达和CRISPR/Cas9基因编辑）、酵母双杂交、免疫沉淀-质谱联用、代谢组学、细胞学等手段系统开展该基因的分子生物学功能分析，以及TSWA7a的单倍型分析，最后构建TSWA7a参与的基因调控网络。本研究将为深入了解油菜乃至双子叶植物种子发育和粒重差异形成的遗传机制及进化起源提供有价值的信息，还可为油菜的高产育种提供新的基因资源和分子标记。

目前，我国食用植物油自给率不足30%，严重影响我国的粮油安全。油菜作为我国第一大油料作物，占我国自产植物油55%以上，提高油菜产量可有效缓解我国植物油的供需矛盾。千粒重作为油菜产量三因素之一，阐明粒重差异形成的遗传基础不仅对油菜产量和品质的改良具有非常重要的意义，而且具有重要的科学意义。. 在前期对油菜千粒重效应最大的主效QTL位点TSWA7a精细定位的基础上，系统开展了TSWA7a的图位克隆，通过转基因互补验证明确了SW4为TSWA7a的候选基因，基因编辑后的转基因系千粒重增加10%，而角果长和每角果粒数无明显变化。通过转录组、细胞学、分子生物学等方法与技术手段系统解析了TSWA7a控制甘蓝型油菜粒重差异形成的分子生物学机制和其参与的遗传调控网络。该基因在不同的组织部位均有表达，但是在发育的花和种子中表达量最高，尤其是在发育的角果和种子中有较高的表达量；其编码的蛋白质定位于细胞核内。TSWA7a大粒近等基因系未授粉5mm花蕾子房的外珠被周长比小粒近等基因系长约20.39%，外珠被细胞直径下降约10%，而细胞数目增加25%。因此，造成TSWA7a最终粒重差异形成的主要原因是外珠被细胞数目的增加进而造成最终种子大小的变化。通过对TSWA7a的自然变异及单倍型分析发现，TSWA7a在自然群体中主要存在10种单倍型，其优势单倍型可以提高油菜千粒重的1.2-2.5克。. 本研究取得的成果，将有助于深入了解油菜乃至双子叶植物中种子形成和发育过程中粒重变异的遗传基础和分子调控机理，可为进一步提高油菜的产量提供新的基因资源和奠定理论基础。这一工作对揭示油菜粒重差异形成的遗传和分子基础有着重要的理论意义，同时可为油菜产量的分子育种提供直接的、新的基因资源。. 在本项目的支持下，共发表高水平研究论文（一区Top）3篇（第一、第二、第五标注各一篇）；授权国家发明专利2项、澳大利亚专利2项；培养国家优青1名、博士研究生2名，在读博士研究生1名、在站博士后2名。全面完成了任务书制订的研究目标与内容。