油菜功能基因组学研究进展及其育种应用

油菜是我国食用植物油的主要来源之一，兼有饲用、菜用、蜜用、观光、盐碱地改良和工业等多种用途。随着基因组测序、基因分型和表型鉴定技术的快速发展和广泛应用，油菜重要育种目标性状相关基因的挖掘与功能研究进展迅速。本文总结了油菜重要性状的功能基因组学研究进展，综述了目前定位及克隆的油菜产量、品质、开花期、株型和抗性等重要农艺性状的关键基因及功能，讨论了其在油菜分子设计育种中的应用价值和利用策略，将为更高效地培育油菜优良品种提供有益参考。

油菜是世界第二大油料作物，是植物油的主要来源之一[1, 2]，同时还具有其他多种重要功能。菜籽饼和油菜青储是牲畜家禽饲料中的优质蛋白饲源，约占蛋白饲料的30%[1]。油菜还是我国重要的蜜源和传统观赏植物，作为蔬菜、绿肥和盐碱地治理的先锋作物的推广面积也在逐步扩大[1~3]。此外，油菜亦是生物质能源（生物柴油）和工业润滑油的重要原料作物[3]。

甘蓝型油菜（AACC, 2n=38）是当前油菜种植的主要类型，大约7500年前由白菜（AA, 2n=20）和甘蓝（CC, 2n=18）天然杂交、染色体加倍而形成，但目前自然界中未发现甘蓝型油菜的野生种质资源。比较基因组分析显示，甘蓝型油菜的A亚基因组可能起源于欧洲芜菁（B. rapa var. rapa）[4, 5]，C亚基因组可能起源于芥蓝（B. oleracea var. alboglabra）、西兰花（B. oleracea var. italic）、花椰菜（B. oleracea var. botrytis）、包菜（B. oleracea var. gongylodes）等 4 种甘蓝亚种的共同祖先[5]。甘蓝型油菜起源于地中海沿岸地区，随着人类活动逐渐向欧洲北部、俄罗斯、美洲（加拿大和美国等）、澳大利亚、亚洲（日本、韩国和中国）等地传播[6]。为适应各生态环境的温度、光照等因素，甘蓝型油菜形成了丰富多样的表型变异和基因组变异，并不断演化出适应各地气候环境的生态类型。根据开花对低温需求的强弱，通常把甘蓝型油菜分为冬性、半冬性和春性三种生态类型。其中，冬油菜可能是最早形成的原始类型，在近1000年内渗入了大量祖先种的基因，进一步扩大了遗传多样性[7]，并逐步分化出春性和半冬性类型。

高产、优质、多抗、生育期适宜、适宜机械化收获等是当前我国油菜育种的主要目标。随着基因组测序和分子标记技术的广泛应用，越来越多油菜产量、品质、开花、株型和抗性等重要农艺性状基因得到定位和克隆，为目标性状的分子标记辅助选择（marker-assisted selection，MAS）及分子设计育种（breeding by molecular design）奠定了重要基础。本文总结了近年来油菜功能基因组学研究的主要进展，并讨论了部分功能基因的育种应用潜力，提出了其应用于分子设计育种的有效策略，为实现油菜育种手段的代际转换，高效培育高产、优质和稳产的油菜新品种提供了有益的参考。

1 甘蓝型油菜基因组测序研究进展

1.1 甘蓝型油菜参考基因组研究进展

白菜和甘蓝都是古六倍体，比较基因组作图[8]、染色体片段分析[9]及全基因组测序分析[10~12]均表明白菜ArAr基因组和甘蓝CoCo基因组都经历过全基因组三倍化事件（whole genome triplication）。白菜和甘蓝杂交、染色体加倍形成的甘蓝型油菜相当于十二倍体，基因组结构异常复杂[13]，而且不同生态类型和不同品种间存在广泛的基因组和表型变异[6]。

基因组测序为油菜起源进化和功能基因组学研究提供了广泛、全面的参考信息。第一个油菜基因组Darmor-bzh_v4.1[14]组装序列总长850Mb，占预估基因组大小的77%，其中645Mb序列定位在19条染色体上。2020年，代表油菜3种生态型的8个品系的高质量基因组数据首先释放[15]，随后冬油菜Express617_v1、Darmor-bzh_v10基因组序列被公布[16，17]。至此，基于三代测序技术获得高质量参考基因组序列的油菜品系已超过10个。其中，半冬性油菜代表性品种中双11（ZS11）基因组挂载总长达960.8 Mb，春性油菜品种Westar基因组挂载总长达942.07 Mb；冬性油菜品种Darmor-bzh_v10基因组挂载总长866.92 Mb，Contig N50超过11 Mb。得益于长读测序技术和染色质互作数据的支撑，基于三代测序组装的基因组在准确性、连续性和完整性上均得到了较大提升，尤其是转座子（TEs）富集区域。

结构变异（structure variation，SVs）能够引起一系列重要农艺性状和品质性状的广泛表型变异[18，19]。由于单一参考基因组无法完全代表一个物种的遗传多样性，同时SVs也难以通过短序列测序数据鉴定，因此，构建油菜泛基因组以鉴定不同生态型和不同品种之间的SVs，对研究甘蓝型油菜的重要功能基因和遗传育种具有重要意义[20，21]。以抑制开花的重要调控基因BnaA10.FLC为例，与ZS11等半冬性油菜BnaA10.FLC相比，Westar等春油菜中该基因外显子区存在hAT片段插入，导致该基因不表达，使开花提前；Tapidor和Darmor-bzh等冬油菜中该基因启动子区存在MITE插入，增强了该基因表达，使开花延迟[21]。尽管之前的研究在油菜BnaA10.FLC、BnaA02.FLC和BnaC02.FLC基因的侧翼发现了许多与开花时间显著关联的SNP[18, 22~24]，但SVs才是导致功能变异的关键。

摘要

油菜是我国食用植物油的主要来源之一，兼有饲用、菜用、蜜用、观光、盐碱地改良和工业等多种用途。随着基因组测序、基因分型和表型鉴定技术的快速发展和广泛应用，油菜重要育种目标性状相关基因的挖掘与功能研究进展迅速。本文总结了油菜重要性状的功能基因组学研究进展，综述了目前定位及克隆的油菜产量、品质、开花期、株型和抗性等重要农艺性状的关键基因及功能，讨论了其在油菜分子设计育种中的应用价值和利用策略，将为更高效地培育油菜优良品种提供有益参考。

Abstract

Rapeseed (Brassica napus L.) was one of the major sources for edible vegetable oil in China, which also has various uses for feeding, adoption, honey, sightseeing, soil improvement and industry. With rapid development and wide application of new techniques in genome sequencing, genotyping, and phenotyping, major achievements in functional genomics have been achieved in B. napus in recent years, including identification and cloning of genes related to agronomically important traits. Here we summarized the research progress of rapeseed functional genomics, listed the key genes and their functions controling agronomically traits such as seed yield, seed quality, flowering time, plant architecture and resistance to biotic and abiotic factors, and discussed the application potential and strategies of these key genes in breeding by molecular design in B. napus. This review might provide a valuable reference for cultivating excellent rapeseed cultivars and would be of great significance to ensuring the safety of oil supply in terms to key germplasms in China.

关键词

油菜 / 功能基因 / 基因组 / 育种 / 农艺性状

Key words

Brassica napus / functional genomes / genomes / breeding / agronomic traits

引用本文

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关志林 , 顾建伟 , 焦禹顺 , 夏瑞 , 刘克德 , 洪登峰. 油菜功能基因组学研究进展及其育种应用[J]. 中国油料作物学报, 2024, 46(6): 1187-1202 https://doi.org/10.19802/j.issn.1007-9084.2023128

Zhi-lin GUAN , Jian-wei GU , Yu-shun JIAO , Rui XIA , Ke-de LIU , Deng-feng HONG. Research progress and breeding application of functional genomics in rapeseed (Brassica napus L.)[J]. CHINESE JOURNAL OF OIL CROP SCIENCES, 2024, 46(6): 1187-1202 https://doi.org/10.19802/j.issn.1007-9084.2023128

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油菜是世界第二大油料作物，是植物油的主要来源之一[1, 2]，同时还具有其他多种重要功能。菜籽饼和油菜青储是牲畜家禽饲料中的优质蛋白饲源，约占蛋白饲料的30%[1]。油菜还是我国重要的蜜源和传统观赏植物，作为蔬菜、绿肥和盐碱地治理的先锋作物的推广面积也在逐步扩大[1~3]。此外，油菜亦是生物质能源（生物柴油）和工业润滑油的重要原料作物[3]。

甘蓝型油菜（AACC, 2n=38）是当前油菜种植的主要类型，大约7500年前由白菜（AA, 2n=20）和甘蓝（CC, 2n=18）天然杂交、染色体加倍而形成，但目前自然界中未发现甘蓝型油菜的野生种质资源。比较基因组分析显示，甘蓝型油菜的A亚基因组可能起源于欧洲芜菁（B. rapa var. rapa）[4, 5]，C亚基因组可能起源于芥蓝（B. oleracea var. alboglabra）、西兰花（B. oleracea var. italic）、花椰菜（B. oleracea var. botrytis）、包菜（B. oleracea var. gongylodes）等 4 种甘蓝亚种的共同祖先[5]。甘蓝型油菜起源于地中海沿岸地区，随着人类活动逐渐向欧洲北部、俄罗斯、美洲（加拿大和美国等）、澳大利亚、亚洲（日本、韩国和中国）等地传播[6]。为适应各生态环境的温度、光照等因素，甘蓝型油菜形成了丰富多样的表型变异和基因组变异，并不断演化出适应各地气候环境的生态类型。根据开花对低温需求的强弱，通常把甘蓝型油菜分为冬性、半冬性和春性三种生态类型。其中，冬油菜可能是最早形成的原始类型，在近1000年内渗入了大量祖先种的基因，进一步扩大了遗传多样性[7]，并逐步分化出春性和半冬性类型。

高产、优质、多抗、生育期适宜、适宜机械化收获等是当前我国油菜育种的主要目标。随着基因组测序和分子标记技术的广泛应用，越来越多油菜产量、品质、开花、株型和抗性等重要农艺性状基因得到定位和克隆，为目标性状的分子标记辅助选择（marker-assisted selection，MAS）及分子设计育种（breeding by molecular design）奠定了重要基础。本文总结了近年来油菜功能基因组学研究的主要进展，并讨论了部分功能基因的育种应用潜力，提出了其应用于分子设计育种的有效策略，为实现油菜育种手段的代际转换，高效培育高产、优质和稳产的油菜新品种提供了有益的参考。

1 甘蓝型油菜基因组测序研究进展

1.1 甘蓝型油菜参考基因组研究进展

白菜和甘蓝都是古六倍体，比较基因组作图[8]、染色体片段分析[9]及全基因组测序分析[10~12]均表明白菜ArAr基因组和甘蓝CoCo基因组都经历过全基因组三倍化事件（whole genome triplication）。白菜和甘蓝杂交、染色体加倍形成的甘蓝型油菜相当于十二倍体，基因组结构异常复杂[13]，而且不同生态类型和不同品种间存在广泛的基因组和表型变异[6]。

基因组测序为油菜起源进化和功能基因组学研究提供了广泛、全面的参考信息。第一个油菜基因组Darmor-bzh_v4.1[14]组装序列总长850Mb，占预估基因组大小的77%，其中645Mb序列定位在19条染色体上。2020年，代表油菜3种生态型的8个品系的高质量基因组数据首先释放[15]，随后冬油菜Express617_v1、Darmor-bzh_v10基因组序列被公布[16，17]。至此，基于三代测序技术获得高质量参考基因组序列的油菜品系已超过10个。其中，半冬性油菜代表性品种中双11（ZS11）基因组挂载总长达960.8 Mb，春性油菜品种Westar基因组挂载总长达942.07 Mb；冬性油菜品种Darmor-bzh_v10基因组挂载总长866.92 Mb，Contig N50超过11 Mb。得益于长读测序技术和染色质互作数据的支撑，基于三代测序组装的基因组在准确性、连续性和完整性上均得到了较大提升，尤其是转座子（TEs）富集区域。

结构变异（structure variation，SVs）能够引起一系列重要农艺性状和品质性状的广泛表型变异[18，19]。由于单一参考基因组无法完全代表一个物种的遗传多样性，同时SVs也难以通过短序列测序数据鉴定，因此，构建油菜泛基因组以鉴定不同生态型和不同品种之间的SVs，对研究甘蓝型油菜的重要功能基因和遗传育种具有重要意义[20，21]。以抑制开花的重要调控基因BnaA10.FLC为例，与ZS11等半冬性油菜BnaA10.FLC相比，Westar等春油菜中该基因外显子区存在hAT片段插入，导致该基因不表达，使开花提前；Tapidor和Darmor-bzh等冬油菜中该基因启动子区存在MITE插入，增强了该基因表达，使开花延迟[21]。尽管之前的研究在油菜BnaA10.FLC、BnaA02.FLC和BnaC02.FLC基因的侧翼发现了许多与开花时间显著关联的SNP[18, 22~24]，但SVs才是导致功能变异的关键。

1.2 甘蓝型油菜组学数据库平台

油菜多组学数据在分析应用及可视化展示上存在局限，为了更好地展示和利用多组学数据，研究人员开发了各类整合数据库，有助于数据共享，便于油菜研究人员快速、高效地挖掘油菜候选变异/基因。BrassicaEDB是西南大学推出的转录组数据库[25]，SNP Database of B. napus是浙江大学推出的SNP变异数据库[26]；近三年来，华中农业大学先后建立了三个泛基因组（BnPIR）、转录组（BnTIR）和变异组（BnVIR）数据库[15，27，28]，后又将其整合为BnIR数据库（http://yanglab.hzau.edu.cn/BnIR），该数据库包含了泛基因组、转录组及变异组数据，能提供搜索、比对、下载等多种功能，整合了多个常用多组学工具[29]。中国农业科学院油料作物研究所也构建了泛基因组背景下的综合性油菜多组学数据库—BnaOmics[30]。这些数据库为油菜遗传育种提供了重要的数据支撑和检索分析平台。随着后基因组时代的到来，作物科学领域已积累了海量数据。将这些大规模多组学数据进行系统整合和分析，并构建更友好的图形化、可视化数据库，将极大地促进重要农艺性状功能基因的发掘和机制解析，推动优异种质资源的开发和利用，加快品种选育。

2 油菜复杂农艺性状基因克隆及功能研究

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2.1 油菜产量相关性状调控基因

产量是典型的数量性状，受自然环境影响较大。在群体水平，单位面积油菜籽产量由种植密度和该密度下单株的产量决定，种植密度一定程度上影响单株产量，而株型是影响种植密度的重要因素。株型通过影响冠层结构与光能利用率等，决定产量潜力；株高等株型性状还与抗倒伏能力相关，倒伏严重会导致产量和品质下降、成本增加[31]。在个体水平，油菜粒重、每角果粒数、单株角果数是主要的产量构成因子，株高等株型性状也会影响单株产量。油菜开花期与产量一般呈现正相关，但是在我国长江流域油菜主产区，油菜收获期和夏季作物播种期存在一定的季节冲突，选育适宜偏早熟且产量基本不减的新品种，可进一步增加油菜种植面积[32]。此外，杂种优势利用也是油菜增产的重要途径，可在多方面改良农艺性状，具有明显的增产效应。

在群体水平上，理想株型是育种家通过长期实践总结和探索勾勒出的模型，仍在修正和完善中。总体而言，油菜株型应适应种植模式，具备半矮秆紧凑、耐密植、丰产稳产等特点[3, 33]。油菜株型的遗传调控较为复杂，已经解析的株高、叶形和分枝夹角等调控主要与赤霉素、生长素等植物激素相关[34-38]。突变体ds-1和ds-3的株高分别由单个不完全显性基因BnaA06.RGA和BnaC07.RGA控制。矮秆基因Bnrga-ds编码DELLA蛋白，抑制GA信号转导使甘蓝型油菜株高矮化[37, 38]，ds-1可能与Bzh为等位基因。突变体ds-4（株高23.4 cm）和sca（ds-5，株高83 cm）、NJAU5737（株高120～130 cm）的株高控制基因均编码IAA蛋白，通过生长素信号通路调控株高[36, 39, 40]。已筛选到的矮秆基因资源，绝大多数在育种上缺乏利用价值，仅有sca等产生的杂交F1为半矮秆且株型较紧凑[36]，符合理想株型的特征，具有应用潜力。

在个体水平上，前人研究已定位了大量控制油菜粒重、每角果粒数、单株角果数、角果长等产量相关性状的QTL。这些QTLs在19条染色体均有分布，但目前仅克隆了少数几个大效应基因。其中，A09染色体上调控粒重和角果长的QTL在多个定位群体中被检测到[41-43]，能解释28%的粒重变异和53.4%的角果长变异[41]。图位克隆发现该QTL的功能基因为BnaA9.CYP78A9，大粒长角亲本中基因启动子区的转座子插入增强了该基因的表达，有该转座子插入的油菜均表现为长角果[44]。BnaA9.ARF18同时负调控角果长和粒重，大粒长角果亲本中该基因第7外显子缺失，解除了对生长素响应因子的抑制作用[45]。A07和A03染色体上有两个粒重QTL，分别能解释27.6%～37.9%和8.46%～13.70%的粒重变异[46]，其中后者对应基因为组氨酸激酶基因BnaA03G37960D [47]。C09染色体上一个34.5 kb的片段缺失也能显著增加粒重，但具体基因未知[48]。最近一项研究在A01染色体上发现了一个贡献率达13.8%的粒重QTL，并开发了SNP标记[49]。此外，优异单倍型的Bna.DA也能提高油菜粒重[50]。每角果粒数大效应QTL主要位于A06、A08、A09、C06、C08、C09等染色体上。两项研究在A06染色体上发现两个不同的每角果粒数相关QTL，分别可解释32.1%和15.06%的变异[51, 52]。基因BnaC9.SMG7b在每角果粒数较少的亲本HZ396中缺失，其优异单倍型可将每角果粒数从11提高至27[53]。另外，BnaC09.APT5基因启动子区48 bp序列插入缺失变异导致其在多粒和少粒材料授粉后14天的角果中差异表达，可引起角果籽粒10至40粒的变异[54]。

油菜开花期也是受多基因控制的数量性状，其研究主要包括开花期主效QTL定位、GWAS分析和开花调控基因克隆与鉴定等。油菜开花期QTLs在所有染色体均有分布，主要位于A02、A03、A10、C02、C08等染色体[55-59]。主效基因如FLC、FT、FRI、VIN3、CO（CONSTANS）和SOC1等在不同生态型油菜亚群之间存在广泛变异。其中，开花重要整合因子FT编码成花素，促进开花。BnFT基因的变异可能导致了冬、春油菜开花期的变异，其中BnC2.FT因启动子区TE插入而沉默[60]。FLC是MADS-box转录因子，通过直接抑制开花促进基因FT、 SOC1等的表达而抑制开花[61]。BnaA10.FLC、BnaA02.FLC、BnaA03.FLCb和BnaC02.FLC基因区及启动子区的PAV和CNV对开花期调控具有重要作用，其中BnaA10.FLC基因的结构变异可能决定油菜的生态型[62-64]。油菜BnaA3.FRI基因单倍型与冬春性分化和环境适应性相关，冬油菜中hap1型BnaA3.FRI显著推迟开花，hap2、hap3单倍型推迟开花但功能明显比hap1型弱[65]。此外，开花期调控基因如Bna.FLCs、Bna.TFL1等不仅调控油菜开花，还可以控制油菜株高、分枝及产量。研究表明，油菜早花会造成减产，其中BnaA02.FLC、BnaA03.FLCb和BnaC02.FLC在调控开花时间上以加性效应为主，而在影响产量的过程中以显性效应为主，并具有明显的单基因杂种优势[66]。Bna.TFL1突变后油菜会呈现有限生长，同时分枝数减少、株型紧凑[67]。在未来，有必要深入解析油菜开花调控机制，从而实现通过操纵油菜开花调控基因来缓解或打破早花和增产的矛盾，培育早花且高产的油菜新品种。

油菜杂种优势利用途径主要包括雄性不育、化学杀雄和自交不亲和等。雄性不育可以分为细胞质雄性不育（Cytoplasmic male sterility，CMS）和细胞核雄性不育（Genetic male sterility，GMS）。自甘蓝型油菜pol CMS（波里马细胞质性不育系）发现之后[68]，在油菜及其近缘物种中先后发现了多种细胞质雄性不育，包括陕2A CMS[69]、萝卜质CMS（ogu CMS）[70]、nap CMS[71]、hau CMS[72]、Nsc CMS[73]等。以pol CMS为例，线粒体中的嵌合基因orf224与其上游基因atp6共转录导致不育系出现雄性不育[71]，恢复系中恢复基因Rfp编码线粒体靶向的三角状五肽重复蛋白（PPR），其通过降低orf224转录水平恢复可育表型[74]；其他CMS系统也发现了相应的线粒体不育基因和核恢复基因。pol CMS不育系的育性还受温度影响，杨光圣等在两个pol CMS育成品种杂交后代中发现了温敏型波里马细胞质不育（简称Pol TCMS）两用系[75, 76]。相较于CMS，GMS具有育性彻底、无异源胞质的负效应、恢复系广泛存在等优点。GMS包括隐性核不育和显性核不育。隐性核不育系S45A的育性受Bnms1和Bnms2两对隐性基因控制[77, 78]，在杂交种生产中需要拔除50%的可育株；BnMS1和BnMS2是位于A07和C06染色体上的同源基因（BnCYP704B1），属于细胞色素 P450 家族，推测其可能具有催化中长链脂肪酸ω羟基化的功能，与花粉绒毡层细胞发育相关[79]。隐性核不育系9012A的育性受BnMs3（BnaC9.Tic40）和BnMs4/BnRf（BnaA7.mtHSP70-1-like）两个基因位点控制，其中BnMs4/BnRf存在三种复等位基因，即BnRfa （恢复型）、BnRfb （不育型）和BnRfc （可育型），其显隐性关系为BnRfa > BnRfb > BnRfc。BnMs4在雄蕊中的时空表达与BnMs3相类似，均在花药发育的第7阶段的绒毡层和小孢子中高量表达，编码蛋白定位于细胞核内；9012A的败育发生在小孢子四分体时期，此时绒毡层细胞液泡化、程序性死亡延迟，不能向分泌型转换从而导致雄性不育[80]。显性核不育系宜3A、609A及其衍生系的育性受同一位点的三种复等位基因控制，其中BnMS5a 为恢复基因，BnMS5b 为不育基因，BnMS5c 为正常可育基因，显隐性关系为BnMS5a > BnMS5b > BnMS5c，BnMS5cBnMS5c 为临保系，与不育株BnMS5bBnMS5b 杂交能产生全不育系，用于杂交种生产[81]。化学杀雄剂通过诱发细胞自噬反应使花粉形成过程中绒毡层不能正常形成、花粉母细胞不能正常分裂产生雄配子，从而引起油菜雄性不育，应用较广的有磺酰脲类和氨基磺酸类药物[51]。此外，甘蓝型油菜自交亲和，而白菜和甘蓝为自交不亲和，通过远缘杂交可以将自交不亲和基因导入甘蓝型油菜中，进行甘蓝型油菜的杂种优势利用。近年来科学家还创制了多种新型不育系统，如抗除草剂核不育系统，不仅操作简单，而且能节约劳动成本和提高种子纯度[82]，是未来油菜育种的发展方向之一。

2.2 油菜种子品质性状相关调控基因

油菜品质性状主要是指种子、菜籽油及饼粕中的成分及含量。油菜种子含油量（Seed oil content，SOC）是主要的品质性状。油菜种子中富含多种脂肪酸，其中油酸、亚油酸因极具保健作用而引起广泛重视；芥酸具有较长的碳链、在人体内不易被消化吸收，是限制菜籽油食用价值的因素之一；高蛋白含量使油菜饼粕成为优质动物饲料，但饼粕中残留的硫苷及其降解产物会导致畜禽产生甲状腺肿大或中毒等症状，限制了油菜饼粕的利用[83]。此外，黄籽油菜因具有含油量高、榨油成色好等优点而广受青睐。

迄今为止，数百个SOC和/或脂肪酸组成相关QTL和位点已被鉴定，但定位到的基因较少。种子含油量受核基因和细胞质基因控制，核基因中多个油脂代谢关键酶的编码基因如BnaC4.GPAT、BnaC4.LTP2和BnaC4.LTP1等分别通过调控TAG组装和膜间脂质转移正调控含油量[84]，编码s-腺苷-L-甲硫氨酸依赖性甲基转移酶超家族蛋白的BnPMT6可能作为LEC1/FUS3的下游靶基因负调控含油量[85]；线粒体编码的orf188通过促进ATP产生从而提高油菜种子的含油量[86]；叶绿体膜蛋白定位的BnaFAX1-1可能通过介导叶绿体的脂肪酸输出同时提高种子含油量和油酸含量[87]。在这些已定位基因中，仅有BnaFAX1-1被报道称其在油菜中过表达具有增产效应，其他基因或未发现相关报道，或表现出明显的负效应，难以应用于油菜品质改良育种。

早期发现的高油酸种质资源大多都是由FAD2基因突变导致的，主要为BnaFAD2.A5和BnaFAD2.C5，其中BnaFAD2.A5的效应明显高于BnaFAD2.C5，整合两个基因的突变可以造成更大的影响[88]。近期，在A9染色体上发现了一个新的油酸含量相关的微效QTL OLEA9，其功能是独立于FAD2基因增加油酸含量[89]。油酸含量过高在农业生产中具有一定的负面效应，因而未来高油酸育种的关键是如何协调油酸含量和生产表现的平衡。

油菜中BnaA08.FAE1和BnaC03.FAE1在脂肪酸合成途径中依次将脂肪酸链长度从C18延伸至C20和C22，是控制芥酸含量的2个主要基因。这两个基因同时突变使种子中芥酸含量降到3%以下，甚至为0[84]。油菜中已克隆的硫苷合成调控基因有转录因子MYB28和转运蛋白GTR2。MYB28通过激活脂肪族硫苷合成基因的表达调控甲硫氨酸合成脂肪族硫苷，突变后能有效降低种子和叶片中的硫苷含量[90, 91]。GTR2编码硫苷转运蛋白，在硫苷的长距离运输中发挥重要作用[92]。油菜中，GTR2不同拷贝同时参与调控叶片和种子中运输，突变部分基因可实现调控种子硫苷含量同时不影响其他组织器官硫苷含量。

籽粒颜色主要受到种皮中原花青素等黄酮代谢产物的影响。Zhang等[93]发现BnaTT8和BnaCCRL通过调节木质素合成在决定种子皮壳率中发挥核心作用，其中BnaTT8可能通过一般苯丙烷途径间接正调控木质素合成和花青素合成；BnaCCRL则编码类肉桂酰辅酶A还原酶蛋白直接参与种皮木质素生物合成，进入调控油菜种子皮壳率。BnaTT8和BnaCCRL敲除突变在提高含油量的同时伴随着脂肪酸组分的改变。

2.3 油菜稳产相关基因

稳产也是油菜重要的育种目标。营养利用效率、生物和非生物胁迫、“落粒”和草害是阻碍油菜稳产的重要因素。氮、磷、钾等营养物质是植物必需的大量元素，营养缺乏会限制作物生长发育，但长期大量使用化肥会导致严重的环境问题，因此，提高油菜营养元素利用效率意义重大。在生物胁迫中，黑胫病、根肿病、菌核病、霜霉病和病毒病等是油菜生长过程中的主要病害，可导致油菜品质下降、大量减产甚至绝收。非生物胁迫中，干旱、渍害、高温和低温、土壤盐碱化、重金属污染等都是油菜生产面临的严峻挑战。目前在油菜稳产基因克隆、分子机理研究及育种应用方面已取得一定进展，但相关基因多处于定位、克隆或验证阶段，优异种质资源和基因资源还比较匮乏。

油菜需氮量较多，但不同种质间的氮利用效率存在巨大差异。氮高效型油菜通常具有更发达的根系以及更高的氮同化和光合能力，产量更高；氮响应基因和氮利用效率关键基因主要与光合作用和C/N平衡相关[94]。油菜对缺磷极为敏感，其根系生长发育是油菜磷吸收利用效率的指示性状。Wang等[95]通过QTL分析定位了位于C06染色体上的磷高效QTL qPRL-C06并预测了候选基因。此外，他们还鉴定了6个影响3种以上矿质元素离子组相关性状的QTL簇，说明油菜对营养元素吸收同样受到复杂遗传网络的调控。硼也是植物必需的微量营养元素，缺硼会导致油菜“花而不实”。2016年克隆了第一个甘蓝型油菜硼高效基因BnaA3.NIP5:1 [96]。低硼条件下，硼高效基因BnaA3.NIP5;1在BnaA9.WRKY47突变体中表达量下降，而在BnaA9.WRKY47超表达材料中表达量升高。实验表明，BnaA9.WRKY47通过结合BnaA3.NIP5;1启动子区域的特异序列直接激活了BnaA3.NIP5;1的表达。这些结果表明转录因子BnaA9.WRKY47也是一个重要的油菜硼高效利用基因[97]。

黑胫病是由子囊菌Leptosphaeria maculans引起，是油菜最重要的病害之一。黑胫病发生可使油菜减产50%以上，且该病害难以用杀菌剂防治，因此提高对L.maculans的抗性是油菜抗性育种的主要目标之一。油菜的黑胫病抗性（R）基因LEM1、LmFr1、LmR1/CLmR1、Rlm1、Rlm3、Rlm4、Rlm7和Rlm9位于甘蓝型油菜A07染色体[98~100]，Rlm2位于A10染色体[101]。此外，4个R基因LepR1、LepR2、LepR3和LepR4来源于白菜型油菜亚种[102~104]。根肿病是由Plasmodiophora brassicae侵染引起的一种世界性土传病害，感病油菜根系细胞经过非正常扩增和分裂产生肿瘤，导致营养与水分的吸收被限制，植株地上部分发黄并枯萎，产量和品质均受到严重影响。选育并种植抗病品种是防治根肿病最经济、最有效的途径。应用广泛的根肿病抗源材料主要为欧洲饲用芜菁，后转入到大白菜、油菜中。根肿病抗病位点主要包括位于A08染色体的PbBa8.1位点和A03染色体的CRa/CRb位点，借此选育了多个抗根肿病优良品种，如华油杂62R、华双5R等[105]。此外，研究还发现根肿菌侵染后，BnaMYB28-1在整个侵染期表达量均显著上调，说明MYB28-1在根肿病抗性中起着重要的调控作用[106]。核盘菌引起的菌核病也是重要的油菜病害之一，世界范围内分布极广，然而油菜中抗病表型和抗病基因鉴定难度较大，目前尚未有有效的菌核病抗性基因被报道。硫苷及其降解产物也参与了植物的防御机制，与油菜的抗病水平密切相关[107, 108]，可通过部分突变硫苷转运基因GTR2调控种子硫苷含量同时不影响其他组织器官硫苷含量，从而有效利用硫苷及其降解产物的抗病作用。

油菜“落粒”问题是由于其角果易开裂的特性造成的，随着种植机械化程度提高，落粒问题亟待解决。虽然通过基因编辑技术对IND1、BnFUL，BnRPL，BnSHP1.A9等进行改造获得了抗裂角油菜[109~112]，但是多伴随不利性状。胡琼团队鉴定出一份高抗裂角油菜品系OR88，并获得了抗裂角基因BnTCP8.C09、开发出了特异性的DNA分子标记，为后续培育抗裂角油菜品种提供了资源和方法[113]。

草害控制是油菜田间管理的基本需求之一。化学除草是现代油菜精简栽培的重要环节，也是控制草害最为经济、有效的手段。然而油菜对除草剂敏感，前茬土地残留除草剂可能降低油菜出芽率，因此创制除草剂抗性油菜新种质对于推动油菜生产发展具有重要意义。磺酰脲类等除草剂是一类以植物乙酰乳酸合成酶（AHAS）为靶标的除草剂，通过抑制AHAS的活性使支链氨基酸合成受阻，最终导致植株黄化死亡。油菜中主要通过EMS诱变AHAS基因获得除草剂抗性，目前已报道的AHAS基因只有BnaA01.AHAS3和BnaC01.AHAS1 [114]。AHAS3上P197L单突材料M45的磺酰脲类除草剂抗性是推荐浓度的两倍[115]，AHAS3上W574L单突材料M342 [116]、AHAS1上P197L单突材料M196的抗性与M45类似，AHAS双基因突变的DS3抗性为推荐浓度的16倍[117]。

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3 油菜分子育种

3.1 单个/少数性状改良

作为一项高效和精准的育种技术，分子设计育种是在解析作物重要农艺性状形成的分子机理的基础上，通过品种设计对多基因复杂性状进行定向改良，以达到综合性状优异的目标。分子标记辅助选择（Marker Assisted Selection，MAS）是直接依据个体基因型进行选择，克服了传统育种中通过表现型间接对基因型进行选择造成的周期长、效率低、准确率低的缺点，可节约育种时间，提高育种效率。

分子标记应用之前，只能通过表型选择改良油菜目标性状，周期长、人工投入大。以油菜芥酸及硫苷改良为例，自1956年发现低芥酸资源Liho到选育低芥酸或无芥酸品种Ora耗时8年，之后导入低硫苷性状育成双低油菜Tower则耗时6年，最终在1982年才成功育成经典双低油菜新品种Westar。应用分子标记后，优良品种单个或少数性状改良效率获得大幅提升。将抗根肿病A03.CRb位点从大白菜材料CR Shinki导入油菜Bing409R并选育抗根肿病新品种华油杂62R，仅用3～4年时间[105]。以华双5R和华油杂62R（分别携带抗根肿病位点PbBa8.1和CRb）为供体亲本，通过MAS仅用3～4年即获得了背景恢复超过93%～96%的携带单基因和双基因的三种近等基因系，并在大田进行了抗病性鉴定[118]。

3.2 多基因聚合和性状改良

油菜农艺性状变异广泛，大多数重要性状受多基因控制，且不同的优良性状、优良基因型可能位于多个品系中，通过传统育种方式难以有效地将不同优良性状和基因型聚合到一个品种中。随着油菜基因组序列公布和分子标记技术的发展，科学家鉴定了越来越多的性状控制基因并开发了相应的分子标记，这使得多个优良性状、优良等位基因的快速聚合成为可能。利用前景选择用于标记目标基因，背景选择用于鉴定背景回复率，分子标记辅助的多基因聚合育种目前已开始广泛地运用于油菜高产、优质和抗逆品种改良和新品种选育。近年来诸如高含油量、黄籽、抗根肿病等众多性状聚合的优良品种屡见报道。郭聚领等[119]利用油酸含量标记（FAD2.a）和恢复基因标记（Rfp与rfp）通过回交转育，获得了甘蓝型油菜高油酸pol TCMS不育两用系及其恢复系，改良株系油酸含量高达75%，农艺性状与轮回亲本无差异。抗病品种选育中，基因聚合也发挥了巨大优势，如聚合Rlm3和Rlm7提高油菜对黑胫病的抗性[120]。王朝阳等将4个性状的7个优良等位基因引入恢复系621R，获得了早熟、抗根肿病、抗除草剂且油酸含量高的油菜新品种[121]。

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4 展望

在过去的十几年中，科学家们在油菜功能基因组研究领域取得了令人瞩目的成就，开发了油菜功能基因组研究平台多种数据库，克隆了一系列油菜产量、品质、抗性、开花期等重要性状的关键调控基因。其中我国科学家在多个领域引领了国际前沿，有力地推动了我国相关学科的发展，为我国油菜科学研究在国际上的领先地位奠定了坚实的基础。与此同时，将油菜功能基因组学研究成果和实际生产应用紧密结合，为实现油菜高产、优质和稳产提供了有效的途径。

4.1 多组学数据加速油菜功能基因组学研究

面向粮食安全等国家重大需求，突破油菜产量瓶颈、优质、稳产仍是油菜研究和育种的目标，解析产量构成因子及品质、抗性等的调控机理、构建调控网络仍是主要研究方向。虽然油菜中定位或克隆了大量重要性状调控QTLs、基因，但重要功能基因的鉴定和调控机制的深入解析还十分匮乏，我们对油菜粒重、含油量和株高等重要性状的形成和调控的了解还比较片面和孤立，这主要是由于油菜基因组结构过于复杂以及基因拷贝间的功能冗余造成的。油菜基因组测序完成、尤其是多个高质量基因组数据公布之后，油菜功能基因研究进展进一步加速。

除基因组外，多组学数据将进一步加速油菜功能基因组学研究。高通量表型组学技术为快速鉴定大量油菜表型提供便利[122~124]，转录组数据库为油菜基因表达及候选基因鉴定提供了参考[29,85,125]，代谢组及脂质组精细鉴定各类化合物为油菜基因克隆呈现了新途径[94,126,127]，表观基因组学图谱为油菜表观修饰遗传研究提供了资源[128]，3D基因组研究使从染色质三维结构的视角下探究油菜生长发育成为可能[129,130]。多组学数据结合将更加高效地鉴定更多调控油菜主要农艺性状的关键基因，促进油菜遗传改良。

4.2 多种途径结合拓宽油菜遗传背景

油菜是一个年轻的多倍体物种，遗传背景相对狭窄。全球约60%的甘蓝型油菜是杂交品种，但在长期育种选择过程，使油菜杂种群体的遗传多样性受到了严重限制，特别是在种子低硫苷、低芥酸以及开花等性状方面[131]。远缘杂交长期被视为拓宽油菜遗传基础的有效手段，通过与种间、属间乃至科间物种的远缘杂交可以将其他物种中的优势性状导入油菜，但是远缘杂交不亲和、杂种胚败育及同源基因重组和丢失等因素使杂种后代难以获得且往往需要长时间的选择与鉴定，才有可能获得综合表现优异的新材料[132]。随着近年来基因组测序、基因编辑等技术的发展，有可能通过精细定位和基因克隆、靶向基因编辑等技术来解析远缘杂交不亲和、杂种胚败育及部分同源基因重组的机制[133，134]，从而提高远缘杂交成功率、增加部分同源重组，促进有利性状转移及缩短培育年限。

突变体创制是拓宽油菜遗传背景的另一途径。基于CRISPR的基因编辑工具不仅大大促进了不同作物重要性状相关功能基因的研究，还可通过直接诱变、多基因组编辑、单倍体诱导和人工无融合生殖、从头驯化和大范围筛选及直接进化等方式加速作物的遗传改良[134~143]。基于CRISPR的基因编辑已在多种油菜重要性状相关基因功能研究中得到应用，如含油量（BnLPAT2和BnLPAT5）[135]、花期（TERMINAL FLOWER 1）[67]、核盘菌抗性（BnF5H）[136]、株型（BnaMAX1和BnA03.BP）[137，138]、抗裂角（CLAVATA、JAGGED和INDEHISCENT）[112，139，140]等，这些研究不仅加深了我们对上述重要性状的形成和调控机制的理解，还为相关性状的遗传改良提供了种质资源。同时，在油菜中利用CRISPR-Cas系统构建基因组规模的突变体库已经成为现实[141]，在未来，通过构建油菜全基因组突变体库结合高通量表型组分析平台将会大大加速重要功能基因的鉴定和调控机制的深入解析，并为高品质油菜育种提供丰富的种质资源。

4.3 油菜分子设计育种从理论走向应用

分子设计育种是在解析作物重要农艺性状形成的分子机理的基础上，通过分子设计对多基因复杂性状进行定向改良，以达到综合性状优异的目标。分子设计育种能高效、快速选育综合性状优良的新品种。在油菜中，一些重要性状调控QTL或基因的分子标记已经开发，但应用到育种的分子标记相对较少，仍然是以经验为主。究其原因可能是由于部分基因/标记受到基因型频率、种质资源差异等因素影响，难以大规模应用，少量/中量分子标记应用在一段时间内仍然是主要方式。目前，基于全基因组和多组学的杂种优势预测已构建了多种不同预测模型，在部分表型，如种子产量和种子含油量的杂种优势预测中获得了较高精确度的预测结果，但是这些预测模型的预测能力受到性状复杂性、外来基因渗入、训练集和测试集之间的遗传关系、训练集大小和环境等多种因素的影响，短时间内难以在实际育种工作中得到应用[142,143]。随着油菜泛基因平台的构建，全基因组预测模型的开发和优化将得到长足的发展[121，142]，分子设计育种乃至全基因组选择应用平台将成为可能。

4.4 油菜多功能开发利用进一步扩大油菜产业规模

新时期的新消费需求为油菜发挥菜用、蜜用、休闲观光等多重功能提供了广阔的市场前景。在油菜的多功能利用过程中，花色和叶色是主要的可视化性状，可用于造景、发展第三产业。天然的甘蓝型油菜均为黄色花，其近缘物种白菜和甘蓝的花色也主要为黄色，仅存在少量白色变异类型，近年来，育种工作者通过种间或属间远缘杂交创制了橙色、红色、紫色等多种花色的油菜，但油菜花色、叶色调控机制解析相对落后。目前油菜中已获得多种花色、叶色突变体及克隆了相关调控基因如BnC3CCD4、BnaCRTISO等[144~148]，为彩色油菜花品系选育提供了材料和理论支撑。

油菜不仅是重要的油料作物，还具有耐盐碱能力强、生物量高等特质，作为盐碱地先锋作物、发展饲用油菜极具优势。快速育种技术、基因编辑及单倍体诱导等技术的发展和应用将大幅缩短品种选育周期，开发出具备更优品质、更多功能和用途的油菜芯片，以满足人们对生活水平提高和美好生活的追求。