白菜自交系7A01紫色性状的遗传与转录组分析

《Plants》：Genetic and Transcriptomic Analyses of the Purple Coloration Trait in the Inbred Line 7A01 of Brassica rapa

　　

花青素（anthocyanins）是高度被重视的水溶性色素，在植物生长发育中具有多效性作用，参与多种生理和生态功能。尽管已有多种白菜（Brassica rapa）品种被报道在不同组织中积累花青素，但控制该性状的基因仍大部分未被阐明。在本研究中，研究人员对白菜自交系7A01进行了鉴定，该品系在叶脉、叶柄和花茎中呈现紫色，该性状随后被证实与高花青素含量相关。遗传分析表明，该性状表现为单基因性状，可能由一个不完全显性核基因座控制，通过使用Brassica 50K SNP阵列结合混合分离群体分析（bulked segregant analysis, BSA），该基因座被定位在A10染色体上一个5.1 cM区域内。研究人员开发了5个与紫色性状连锁的简单序列重复（simple sequence repeat, SSR）标记。对茎尖和花茎进行的转录组分析分别鉴定了3953个和5922个参与花青素生物合成的差异表达基因（differentially expressed genes, DEGs），这些DEGs包括结构基因和转录因子，其表达通过RT-qPCR验证。研究人员的发现为白菜紫色性状提供了遗传和分子框架，并为未来的育种工作提供了候选基因。

论文解读文章：白菜自交系7A01紫色性状的遗传与转录组分析

**研究背景与问题**
花青素（anthocyanins）是类黄酮（flavonoid）类次生代谢产物中的水溶性色素，赋予植物红色、紫色和蓝色，在吸引传粉者和种子传播者、抵御环境胁迫等方面发挥多效性作用。同时，花青素作为天然食品着色剂和抗氧化剂，具有重要的营养与经济价值。白菜（Brassica rapa）在驯化过程中形成了多种形态类型，包括油用、根用和叶用蔬菜，其中多个品种被报道在不同组织中积累花青素，如紫色叶脉、叶柄、花茎、可食叶片、膨大根、芽等。然而，控制这些组织特异性花青素积累的关键基因仍远未完全阐明。尽管已有基于全基因组同源搜索和转录组分析鉴定了部分候选基因（如BraPAP2.A03、BraTT8.A09、BraCHI等），但不同基因座在不同品种和发育阶段的调控网络尚不清晰。为此，本研究聚焦于一个表现为紫色叶脉、叶柄和花茎的白菜自交系7A01，旨在揭示其遗传基础和分子调控机制，为紫色性状的育种提供理论依据和候选基因。

**研究内容与结论**
研究人员以紫色自交系7A01和绿色品种‘Jinqiu 66’为亲本，构建了F₁、F₂和BC₁分离群体。通过两年田间表型观察，发现紫色（包括浅紫色）与绿色植株在F₂群体中符合1:3分离比，BC₁群体符合1:1分离比，表明该紫色性状受单个不完全显性核基因座控制，无细胞质效应。利用Brassica 50K SNP阵列结合混合分离群体分析（BSA）和共线性分析，将该基因座初步定位到A10染色体28.15–29.26 Mb区域。随后，在该区间内设计SSR引物，对611个F₂个体进行基因分型，最终将目标区域缩小至5.1 cM区间，两侧最近标记SSR91和SSR197之间的物理距离为296 kb，包含46个基因（基于拟南芥同源基因注释）。值得注意的是，这些基因中无已知的花青素合成基因，但包含转录因子（Nuclear Factor Y TF、锌指TF、PHR1-LIKE TF）、蛋白磷酸酶2C和受体样激酶等潜在调控因子。

对茎尖（五叶期）和花茎（抽薹期）进行转录组分析，分别鉴定出3953个和5922个差异表达基因（DEGs）。基因本体（GO）富集分析显示，两组DEGs均显著富集于花青素代谢过程、类黄酮生物合成过程以及生物/非生物胁迫响应相关条目。在茎尖中，上调的结构基因包括AtUF3GT、AtPAL3、AtANS、AtCHI、AtCHS、AtC4H的同源基因，转录因子包括AtHY5和AtPAP3的同源基因；在花茎中，上调的基因包括AtPAL1–4、AtC4H、At4CL1/5、AtDFR、AtANS、AtUF3GT、AtUGT75C1、At5MAT、AtTT19等结构基因，以及AtTTG2、AtPAP2、AtMYB111、AtTT8等转录因子。RT-qPCR验证了9个在茎尖和花茎中共同或特异上调的基因，证实了转录组数据的可靠性。此外，生理学测定表明，7A01的花青素含量显著高于‘Jinqiu 66’，F₁介于两者之间；同时，7A01的净光合速率（Pn）和胞间CO₂浓度（Ci）也显著高于‘Jinqiu 66’，表明紫色性状可能与光合效率提高相关。

**意义**
本研究为白菜叶脉、叶柄和花茎紫色性状提供了完整的遗传和分子框架，确定了该性状由A10染色体上一个5.1 cM区间内的单基因座控制，并鉴定了多个参与花青素生物合成的候选基因，包括结构基因和转录因子。研究所开发的SSR标记和候选基因信息为分子标记辅助选择及基因编辑育种奠定了基础。论文发表在《Plants》。

**关键技术方法**
1. 遗传定位：采用Brassica 50K Illumina Infinium^TM SNP阵列结合BSA，对两个亲本和F₂混合池（紫色池30株、绿色池30株）进行基因分型，并通过共线性分析将目标区间映射到白菜A10染色体。
2. 分子标记开发：在目标区间内设计SSR和内含子多态性（IP）引物，利用611个F₂个体进行连锁分析，计算遗传距离，最终将区间缩小至5.1 cM/296 kb。
3. 转录组分析：分别对五叶期茎尖和抽薹期花茎（各3个生物学重复，每个重复由5株混合）进行RNA-seq，以白菜Chiifu V2.5和V3.0为参考基因组，鉴定DEGs（|log₂倍数变化|≥1，FDR<0.05），并进行GO富集分析。
4. 表达验证：利用RT-qPCR对9个候选DEGs进行表达水平验证，以BraGAPDH为内参。
5. 样本队列来源：所有植物材料种植于中国陕西省杨凌西北农林科技大学实验农场（2024年和2025年9月播种）。

**研究结果**
**2.1 紫色性状与花青素积累相关**
通过表型观察和生理测定发现，7A01在五叶期叶柄和叶脉、抽薹期花茎呈现紫色，其花青素含量显著高于‘Jinqiu 66’，F₁呈中间水平；同时7A01的相对叶绿素含量、净光合速率和胞间CO₂浓度也显著高于‘Jinqiu 66’，表明紫色性状伴随更高的光合效率。

**2.2 紫色性状的遗传模式**
F₂群体中绿色与紫色（含浅紫色）植株符合1:3分离比，BC₁符合1:1分离比，表明该性状为单个不完全显性核基因座控制，无细胞质效应。

**2.3 定位与紫色性状连锁的基因组区域**
通过Brassica 50K SNP阵列结合BSA，鉴定出4个多态性SNP（3个位于A10染色体），共线性分析将目标区间定位到白菜A10染色体的28.15–29.26 Mb区域。进一步设计SSR引物，对611个F₂个体进行基因分型，将区间缩小至5.1 cM，最近标记SSR91和SSR197之间的物理距离为296 kb，该区域包含46个基因，无已知花青素基因。

**2.4 茎尖中与花青素积累相关的候选基因**
茎尖转录组分析鉴定出3953个DEGs（2393个上调、1560个下调）。GO富集显示花青素和类黄酮生物合成相关条目显著富集。筛选出与AtUF3GT、AtPAL3、AtANS、AtCHI、AtCHS、AtC4H同源的结构基因，以及AtHY5和AtPAP3同源的转录因子，RT-qPCR验证了9个基因在7A01茎尖中显著上调。

**2.5 花茎中与花青素积累相关的候选基因**
花茎转录组分析鉴定出5922个DEGs（2949个上调、2973个下调）。GO富集显示花青素和类黄酮前体生物合成、胁迫响应相关条目显著富集。筛选出结构基因（AtPAL1–4、AtC4H、At4CL1/5、AtDFR、AtANS、AtUF3GT、AtUGT75C1、At5MAT、AtTT19同源基因）和转录因子（AtTTG2、AtPAP2、AtMYB111、AtTT8同源基因），RT-qPCR验证了9个基因在花茎中显著上调，其中4个与茎尖共同验证的基因表达一致。

**讨论与结论**
讨论部分指出，本研究将紫色性状定位到A10染色体上一个5.1 cM区间，该区间内无已知花青素基因，提示可能存在一个新基因控制该组织特异性花青素积累。茎尖和花茎的转录组均显示花青素和类黄酮合成相关GO条目富集，同时胁迫响应条目也显著富集，与已有报道一致。茎尖和花茎中上调的DEGs存在差异，例如茎尖中特异性上调的转录因子为HY5和PAP3，而花茎中特异性上调了TTG2、PAP2、MYB111、TT8等，表明调控可能具有组织特异性。该区间内的46个候选基因中，包含三个转录因子（BraA10g029490【Nuclear Factor Y TF】、BraA10g030030【锌指TF】、BraA10g029770【PHR1-LIKE TF】）以及蛋白磷酸酶2C和受体样激酶等，可能发挥调控作用。未来需通过遗传互补、过表达或基因编辑等方法进一步缩小候选区间并验证功能。

**结论翻译**：本研究为未来在A10染色体上已鉴定区间内对候选基因进行精细定位奠定了基础，并为白菜叶脉、叶柄和花茎紫色性状的分子基础提供了新见解。