高时间分辨率转录组揭示甘蓝型油菜种子发育过程中苯丙烷代谢和油脂积累之间的相互作用

【作者】 余良倩； 刘东旭； 戴成； 杨庆勇； 郭亮；

【机构】 华中农业大学； 崖州湾国家实验室；

【摘要】 甘蓝型油菜(Brassica napus)作为世界上重要的油料种子作物,为人类提供高质量的食用和非食用植物油。油菜种子发育过程伴随着油脂、蛋白等储藏物质的积累。种皮在整个发育过程中对胚起到保护作用,释放营养物质的同时从母体组织向胚胎传递信号,这些都是胚胎正常发育所必需的。种皮中类黄酮的积累,主要是苯丙烷化合物花青素和原花青素(PAs),是植物种子成熟的特征性步骤,这些化合物的含量决定了成熟种子的颜色。黄籽油菜具有含油量高、油质清亮的优点,其黄籽的性状源于种皮中上述化合物的积累不足。然而,关于胚和种皮对油脂积累和苯丙烷代谢之间的调控机制仍不清楚。本研究前期对甘蓝型油菜"中双11"不同组织进行了转录组测序,提供了完整系统的甘蓝型油菜转录组资源。对其中开花后发育14天到64天(间隔2天)的种子进行转录组分析,基于26个发育时期的转录本,将油菜种子发育过程划分为5个阶段。结合不同发育时期种子中脂肪酸含量的分析,发现油脂积累旺盛的时间集中在第2至第4个阶段(26-54天),在第五个阶段达到最高,随后有轻微降低。筛选了种子中特异表达基因和转录因子,并构建了共表达网络,网络中主要包括一批关键转录因子、油脂合成与代谢相关基因和苯丙烷代谢相关基因。其中编码苯丙烷代谢的关键酶基因,包括TT5、BAN和TT19等,与大量参与油脂积累的关键酶和转录因子共表达,暗示着它们之间存在直接或者间接的调控关系。结合基因表达与种子含油量(SOC)、皮壳率(SCC)性状的相关性分析,发现苯丙烷代谢基因普遍与含油量显著负相关。进一步通过比较种子特异表达转录因子、种子TWAS显著的SOC基因和共表达网络Hub基因,筛选出可能调控种子含油量和皮壳率的候选基因。本研究提供了甘蓝型油菜种子发育过程中高时间分辨率的转录组,通过共表达网络分析和相关性分析揭示了种子胚和种皮之间存在碳源竞争,这两个过程在种子发育过程中受到多种转录因子的精细调控。同时该研究鉴定的苯丙烷途径和油脂合成途径的关键基因,尤其是预测的转录因子-靶基因,为优化种子碳源分配促进种子油脂积累提供了理论依据。更多还原