西藏新型甘蓝型油菜早熟种质的挖掘及其高寒响应机制研究

Abstract: The altitude range of 3800 to 4200m is the main distribution area of cultivated land and producing area of rapeseed in Tibet. Due to the poor alpine adaptability, the rapeseed (Brassica napus) can only be extended to cultivate in the valley farming areas at an altitude of 3800m, becoming the bottleneck in Tibetan rapeseed production. However, under the long-term natural and artificial selection, the native species of rapeseed (Brassica juncea) in Tibet has the unique adaptability to cold climate, whicn is in urgent need of valuable resource for the improvement of Brassica napus. In this study, the new-typed Tibetan Brassica napus that was made by the hybridization of Brassica juncea and Brassica napus, was selected as research material, explore the excellent genetic resources with early-maturing and cold-resistant. The alpine response mechanism of new germplasm in alpine environment was analyzed in terms of morphology, anatomy, physiology and biochemistry, yield and quality, proteomics and metabonomics. By this research, it is expected to complete a new exploration to break through the high altitude limit 4000m of Brassica napus. The research for the new-typed Tibetan Brassica napus can provide theoretical basis for the ecological breeding of rapeseed.

海拔3800-4200m之间是西藏主要耕地分布区和油菜主产区，但当前甘蓝型油菜高寒适应性相对较差，只能在3800m以下河谷农区推广，成为西藏甘蓝型油菜生产的瓶颈问题。而西藏本土芥菜型油菜经长期自然和人工选择，对高寒区具有特殊的适应性，正是改良甘蓝型油菜急需的宝贵资源。本研究拟采用西藏芥菜型油菜与甘蓝型油菜种间杂交育成的早熟新型甘蓝型油菜为材料，开展早熟耐寒等优异基因资源的挖掘利用研究，解析高寒环境新种质分别在形态学、解剖学、生理生化、产量品质、蛋白质组学和代谢组学等研究水平上的高寒响应机制。本研究为突破甘蓝型油菜4000m高海拔限制提供新途径，并为甘蓝型油菜生态育种奠定理论基础。

西藏海拔3800m以上主要农区甘蓝型早熟油菜匮乏是该区油菜生产的瓶颈问题，以新型甘蓝型油菜群体为材料，开展早熟种质的挖掘及高寒响应机制研究工作。主要取得以下结果：（1）不同海拔下开展新型甘蓝型油菜生育期鉴定试验，获得适应高海拔农区的早熟油菜种质。结合低温鉴定筛选试验获得耐低温差异种质。（2）基于染色体鉴定，明确了参试油菜染色体数目、核型类型、核型公式，从染色体核型分析角度揭示遗传多样性通过染色体趋同进化分析，发现进化程度较高的品系。（3）基于简化基因组测序，明确了参试油菜的遗传多样性水平，发现新型甘蓝型油菜的主要遗传物质变异多发生在A基因组上,杂种后代的基因型偏向于AACC；揭示了参试油菜的类群分化和多样性特点。（4）基于表型和产量分析，探明了不同熟期油菜品系的光温利用特点，明确了最佳播种密度和播期及高海拔下油菜的光温适应特点。（5）通过比较高海拔和低温胁迫下油菜的抗氧化生理，发现低温胁迫和高海拔均会造成油菜的膜脂过氧化，高海拔下的氧化程度更高。耐低温差异品系对高海拔的响应机制不同。（6）通过对参试油菜低温和高海拔下授粉花柱的转录表达谱分析，发现参试油菜花柱主要通过细胞膜组分蛋白感受低温信号，可能通过 CBF通路及ABA交叉信号通路适应低温环境；高海拔下主要通过光温周期性变化调控生长发育。低温和高海拔环境下油菜可能利用相似的感受器，协同调节环境适应性。（7）通过对参试油菜低温和高海拔下授粉花柱代谢组表达谱分析，发现参试油菜在持续低温条件下差异代谢物主要富集在甘油磷脂代谢和次生代谢物合成的代谢通路。高海拔相对低海拔产生的差异代谢物主要富集在糖代谢、氮代谢、甘油磷脂代谢和次生代谢通路。本研究结论可为进一步深入开展西藏高原油菜的早熟和高寒适应性研究奠定了理论和种质基础。