甘蓝型油菜用于镉污染耕地安全生产的分子机理研究

【作者】 张付贵； 伍晓明；

【机构】 农业部油料作物生物学与遗传育种重点实验室/中国农业科学院油料作物研究所；

【摘要】 【研究背景】中国环境保护部联合国土资源部于2014年4月发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示:全国土壤镉(Cadmium,Cd)的点位超标率为7.0%,位于无机污染物之首,而且调查中耕地土壤点位超标率在调查的土壤类型中最高。Cd污染耕地安全利用过程中,首选需要培育耐Cd性植物新材料。甘蓝型油菜(Brassica napus L.)作为一种重要的油料作物,还可以用作蔬菜、饲料、绿肥、观赏和生物能源等方面,一部分基因型还表现出超富集Cd的能力,是用于Cd污染耕地安全生产最理想的作物之一。【材料与方法】本研究在水培条件下,基于根系图像的表型组分析平台,评价140份甘蓝型油菜微核心种质资源的耐Cd性,进而通过全基因组关联分析(genome-wide association studies,GWAS)、群体选择分析和转录组测序多种途径发掘甘蓝型油菜耐Cd性调控基因,旨在筛选用于Cd污染耕地安全生产的优异资源,并阐释其耐性分子机理。【结果与分析】基于根系表型组分析平台获得的耐Cd性指数(8个)与基于传统生物量指标(7个)的耐Cd性指数之间存在一定的相关性,两组指标均表现出较大的变异,可见这些指标可以从不同的角度反映出甘蓝型油菜抵御Cd胁迫的反应。通过GWAS共鉴定到与耐Cd性相关的遗传位点77个,虽然有一部分遗传位点同时与多个指标关联,但是大部分(83.12%)的位点只与特定的指标相关联,说明这些指标在解析甘蓝型油菜耐Cd性遗传网络中具有互补性。综合15个耐Cd性相关的性状进行聚类分析,可以将参试材料分成四组,T1(5份)和T2(20份)组表现出较强的耐Cd性,T4组(61份)材料Cd胁迫反应则较为敏感。基于分组信息,进一步分析耐Cd性(T1和T2)和Cd敏感(T4)亚群之间的群体分化指数(Fst),发现在A01、A04、A06、A08、C03和C08连锁群上分别鉴定到较强的选择信号,并且C03连锁群上的选择信号与耐Cd性指标的关联信号重合,说明两种方法均可用于耐Cd性遗传解析。在C03连锁群上这个共定位的候选区间内鉴定到一个编码解毒蛋白BnaDTX3(Protein DETOXIFICATION 3)的基因,该基因第5个外显子区域存在6个非同义突变位点,可将140份资源分成4种单倍型,HAP1的耐Cd性显著高其余单倍型,而且HAP1在耐Cd性亚种中的比例(77.27%)高于在Cd敏感亚群中的比例(56.25%)。转录组分析的结果表明,BnaDTX3在耐Cd性材料中受Cd处理显著诱导表达,而在Cd敏感材料中则无明显变化,也进一步证实了BnaDTX3基因在甘蓝型油菜中具有调控耐Cd性的作用。【结论】本研究利用建立的根系图像表型组分析平台筛选到25份耐Cd性优异资源,结合GWAS、群体选择分析和转录组测序揭示了BnaDTX3基因在甘蓝型油菜耐镉性中发挥重要的作用,为推动油菜用于Cd污染耕地安全生产提供了重要的遗传资源和理论指导。更多还原