利用关联转录组学揭示芥菜型油菜氮效率关键基因与调控机制

本综述系统阐述了通过关联转录组学方法鉴定芥菜型油菜氮利用效率（NUE）的关键遗传位点及调控机制。研究通过对260个基因型在不同氮水平（N0、N50、N100）下的表型分析和转录组测序，揭示了氮吸收效率（NUpE）和氮利用效率（NUtE）的遗传基础，并预测了包括硝酸盐转运蛋白（NRT1.7）、氨基酸转运蛋白（AAP5）及肽转运蛋白（PTR1）在内的15个候选基因，为油菜氮高效育种提供了分子靶点和理论依据。

背景

氮（N）是植物生长发育的关键营养元素，参与光合作用、蛋白质合成和生物量形成等核心生理过程。芥菜型油菜（Brassica juncea L. Czern）作为全球重要的油料作物，其氮利用效率（NUE）的提升对减少氮肥施用、保障环境可持续性具有重要意义。然而，作物的氮吸收效率（NUpE）通常低于60%，且不同基因型间NUE存在显著差异。本研究通过关联转录组学方法，旨在解析芥菜型油菜NUE的遗传基础，并挖掘关键候选基因。

材料与方法

研究采用260份芥菜型油菜基因型组成的多样性群体（BjDFFS），在三个氮水平（N₀：不施氮；N₅₀：50 kg/ha；N₁₀₀：100 kg/ha）下进行两年田间试验。通过凯氏定氮法测定植株氮含量，并计算NUE、NUpE、NUtE（氮利用效率）和NHI（氮收获指数）等参数。利用混合线性模型（BLUP）和关联转录组学分析，整合SNP（单核苷酸多态性）和基因表达数据，筛选与性状显著关联的遗传位点。

结果

基因型和氮水平互作对种子产量（SY）和NUE相关性状均表现出显著影响。NUE和NUpE在低氮（N₀）条件下最高，随氮水平增加而下降。基因型252,026、PBR-91、EJ-15、IM-22等在高、低氮条件下均表现出优异的NUE和产量性状。相关性分析显示，SY与NUE呈强正相关（r_N0=0.814），NUpE是NUE的主要决定因子。主成分分析（PCA）表明SY、NUE和NUpE聚集紧密，共同解释76%的遗传变异。

通过关联转录组学，共鉴定出15个与NUE性状相关的候选基因，包括：

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  氮转运相关基因：硝酸盐转运蛋白基因NRT1.7（B03）、氨基酸通透酶基因AAP5（B06）和肽转运蛋白基因PTR1（B06）；
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  氮代谢酶基因：丙氨酸-乙醛酸转氨酶（AGT，B02）和谷氨酰胺氨基转移酶（AT5G57890，A08）；
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  调控蛋白基因：SH3结构域蛋白（AT4G34660，A01）、F-box蛋白TIR1（B06）和腺苷甲硫氨酸合成酶SAM-2（A09）。
  这些基因涉及氮吸收、同化、再分配及胁迫响应等生物学过程。

讨论

本研究揭示了芥菜型油菜NUE的复杂遗传调控网络。NUpE作为NUE的核心组分，其遗传改良潜力显著。候选基因NRT1.7和AAP5在低氮条件下调控氮素转运效率，而PTR1可能参与氮肽的跨膜运输。此外，TIR1和SAM-2等基因通过影响激素信号和甲基化修饰，间接调控氮代谢途径。这些发现为分子标记辅助选择（MAS）和基因编辑靶点设计提供了依据，有望加速氮高效油菜品种的选育进程。

结论

研究通过整合表型组学和转录组学数据，系统解析了芥菜型油菜NUE的遗传架构，并挖掘出一批具有育种应用潜力的候选基因。未来工作需进一步验证这些基因的功能，并通过多基因聚合育种策略，培育适应低氮环境的绿色高产油菜新品种。