甘蓝型油菜花色基因BnaFC的克隆和花色形成的机理研究

Rapseed is one of the most important oil crops in the world. The common flower color of rapeseed is golden yellow and appreciated by viewers so that it can be utilized as important resource for development of sightseeing agriculture. Besides yellow-colored B. napus, there are some few white-color types in B. napus. However, no research has been carried on the mechanism of the flower color formation in B. napus. No. 2127-17 was resynthesised B. napus through interspecific hybridization between white-flowered B. alboglabra Bailey and yellow-flowered B. rapa. In previous study, genetic analysis indicated that the white flower color of No. 2127-17 is controlled by one dominant gene to yellow flower color. We designated the flower color gene as BnaFC. And it was mapped within the 300 kb region on C3 chromosome in B. napus genome using molecular markers. Based on the above research, we will obtain the BnaFC gene by map-based cloning, and investigate the subcellular localization, the expression patter and the enzymatic activity to gain insight into the the biochemistry pathway and biological role of BnaFC. The results will elucidate the mechanism of the flower color formation in B. napus. Moreover, we will perform association analysis on white and yellow flower color with the BnaFC alleles in the different varities of B. napus and its ancestors B. rapa and B. oleracea to reveal the evolution history of flower-color trait.

油菜不仅是世界上重要的油料作物，而且油菜花色金黄灿烂，是开发观光农业的重要资源。甘蓝型油菜是油菜的主要栽培类型，除了黄花甘蓝型油菜，还存在少量的白花甘蓝型油菜。然而，目前对油菜花色调控的分子机理和进化历史尚缺乏研究。在前期研究中，我们以人工合成的白花甘蓝型油菜No.2127-17为研究材料，遗传分析结果表明白花性状受单个显性基因控制（相对黄花性状）；利用分子标记将花色基因BnaFC定位在甘蓝型油菜C3染色体上300kb的区段内。本项目在此基础之上，拟利用图位克隆的方法分离BnaFC，并采用亚细胞定位、转录表达分析和酶活测定等技术对BnaFC调控的生化路径及其生物学功能进行剖析，阐明甘蓝型油菜花色调控的分子机理。同时，我们也将通过对不同花色类型的甘蓝型油菜及其祖先种白菜和甘蓝BnaFC等位基因的关联分析，探明甘蓝型油菜花色的进化历史。

油菜、白菜和甘蓝（均属于芸薹属）不仅是世界上重要的油料和蔬菜作物，而且由于其花色金黄灿烂，深受人们喜爱，因此近年来油菜被广泛应用于观赏农业的开发。尽管芸薹属作物花色的遗传学研究已经开展了近一个世纪，但是其花色形成的分子机制尚不清楚。通过对油菜白花品种和黄花品种花瓣色素含量分析发现，黄色花瓣中类胡萝卜素的含量显著高于白色花瓣，而且其类胡萝卜素类型以紫黄质为主。图位克隆结果表明位于油菜C3染色体上的BnaC3.CCD4基因（carotenoid cleavage dioxygenase，类胡萝卜素裂解双加氧酶）对于花色的调控起到关键作用。在黄花品种中，该基因的编码区存在一个CACTA类型转座子的插入，导致BnaC3.CCD4基因发生功能丧失型突变（M1）。α-紫罗酮是油菜白花花瓣释放出的主要脱辅基类胡萝卜素气体，通过类胡萝卜素分子结构的分析，推测α-胡萝卜素或/和δ-胡萝卜素可能是BnaC3.CCD4的作用底物。在甘蓝中共存在4 种功能突变的C3.CCD4 等位基因（M1 型-M4 型），包括2种CACTA转座子插入类型（M1和M4）以及2种插入缺失（InDel）类型（M2和M3）。在黄花甘蓝型油菜中只存在 M1 型，在黄花埃塞尔比亚芥中只存在 M1 和 M4 型两种。M2 和 M3型仅在黄花甘蓝中发现，却不存在于异源四倍体甘蓝型油菜和埃塞尔比亚芥，因此C3.CCD4 中 CACTA转座子的插入事件发生在甘蓝型油菜和埃塞尔比亚芥形成之前。本项目研究结果将为油菜的花色改良提供重要的理论依据。