项目文章New Phytologist | 西南大学揭示细胞分裂素代谢关键基因BnaC9.APT5调控油菜每角果粒数的分子机制

一分钟论文导读

随着全球植物油需求持续增长，提高油菜产量已成为育种研究的核心目标之一。每角果粒数（SNPS）作为影响产量的关键构成因子，其分子调控网络尚不明确。细胞分裂素代谢通路被证实参与胚珠发育与籽粒形成过程，而该通路中APT家族基因在油菜中的功能仍有待阐明。在此背景下，西南大学农学与生物科技学院钱伟团队聚焦于定位在主效QTL区间的 BnaC9.APT5 基因，通过整合功能验证、生化分析及群体遗传分析手段，系统揭示了其通过催化腺嘌呤生成腺苷一磷酸（AMP），调控细胞分裂素代谢通路相关基因表达并促进胚珠发育的分子机制，同时明确了启动子区48-bp变异对基因表达的抑制效应及其在育种中的选择规律，为油菜产量性状的遗传改良提供了关键基因资源与育种策略参考。

发表单位：西南大学农学与生物科技学院

发表期刊：New phytologist

影响因子：8.1

发表时间：2025年10月

南京维百瑞检测为其提供细胞分裂素检测

技术路线

主要研究结果

1.拟南芥APT5基因及其油菜同源基因正向调控每角果粒数

基于前期QTL定位与RNA-seq分析结果，在甘蓝型油菜每角果粒数主效QTL区间内，定位并命名了候选基因 BnaC9.APT5 。

作者首先对拟南芥AtAPT5基因进行功能验证：apt5突变体因编码区T-DNA插入导致基因表达下调，每角果粒数较野生型Col-0减少；而AtAPT5过表达株系与互补株系的每角果粒数分别显著增加，证实AtAPT5正向调控拟南芥每角果粒数。

随后在拟南芥Col-0和apt5突变体中异位表达油菜 BnaC9.APT5 基因，获得的纯合T3代株系（2个过表达株系BnaC9.APT5-AtOE、2个互补株系BnaC9.APT5-AtCOM）每角果粒数均较对应对照显著提升。

在油菜中过表达 BnaC9.APT5 ，获得2个T3代过表达株系BnaC9.APT5-BnOE，其基因表达量为受体材料“J9707”的22倍以上；与J9707相比，BnaC9.APT5-BnOE株系的初始胚珠数、每角果粒数、单株角果数及产量均增加，千粒重略有下降，有效分枝数无明显差异，表明 BnaC9.APT5 可显著提升油菜每角果粒数及籽粒产量。

图1：腺嘌呤磷核苷转移酶5（APT5）对拟南芥每角果粒数的影响

图2： BnaC9.APT5 过表达对油菜每角果粒数的影响

2. BnaC9.APT5 启动子区的48-bp缺失在油菜育种中的作用

前期研究发现， BnaC9.APT5 启动子区存在一个与油菜每角果粒数相关的48-bp插入/敲除变异（InDel）。通过对406份油菜种质的关联分析发现，携带纯合缺失型（–48bp）的基因材料，相较于杂合型（±48bp）和纯合插入型（+48bp），具有更高的SNPS和种子产量，表明该48-bp缺失为调控产量的优异等位变异。

该等位变异频率在3种油菜生态型中随育种进程呈“V”型变化，在1971-1980年间降至最低，而此阶段正是低芥酸品种“Liho”和低硫苷品种“Bronowski”等“双低”品种广泛应用的时期，序列分析显示这两个品种均携带48-bp插入，推测“双低”品质育种的选择压力导致优异等位基因频率下降。

进一步分析发现，该等位变异在半冬性油菜中分布频率最高（100/156），显著高于春性和冬性油菜。选择信号分析显示，半冬性VS春性/冬性油菜在 BnaC9.APT5 基因区域的Fst遗传分化指数和核苷酸多样性比值均显著升高，提示 BnaC9.APT5 基因在油菜育种过程中可能经历了定向选择。

图3： BnaC9.APT5 启动子中48-bp（InDel）对与种子产量相关性状及全球油菜资源中突变等位基因丰度的影响

3. BnaC9.APT5 启动子区插入48-bp降低每角果粒数

为明确48-bp InDel对 BnaC9.APT5 启动子活性的影响，作者克隆了3份48bp插入（+48bp，启动子长910bp）和3份48bp缺失（-48bp，启动子长862bp）油菜材料的基因启动子序列。烟草瞬时表达试验发现，-48bp启动子的荧光素酶活性显著高于+48bp启动子；人工修饰启动子（-48bp启动子插入48bp、+48bp启动子删除48bp）的活性检测进一步证实，48bp插入会显著抑制BnaC9.APT5启动子活性。

作者将含两种启动子的载体分别转化拟南芥apt5突变体，获得纯合T3株系。授粉后10天（10 DAP）角果的RT-qPCR检测显示，proBnaC9.APT5-48bp::AtAPT5株系的AtAPT5表达量显著高于proBnaC9.APT5+48bp::AtAPT5株系及apt5突变体。表型分析发现，proBnaC9.APT5-48bp::AtAPT5株系每角果粒数较proBnaC9.APT5+48bp::AtAPT5株系多7粒，而proBnaC9.APT5+48bp::AtAPT5株系与apt5突变体无明显差异，证实启动子区48-bp插入会导致每角果粒数降低。

图4： BnaC9.APT5 启动子48-bp插入降低BnaC9.APT5表达

4.BnaC9.APT5通过细胞分裂素代谢途径调控每角果粒数

对BnaC9.APT5过表达株系（BnOE）与供体J9707的7、14DAP角果进行转录组分析，鉴定出4464个差异表达基因。GO富集分析显示，这些基因主要参与细胞壁生物合成与修饰、蔗糖转运及乙烯、细胞分裂素、生长素等植物激素响应通路；进一步聚焦87个细胞分裂素代谢相关差异基因，选取11个基因进行RT-qPCR验证，其表达模式与测序结果一致。

细胞分裂素（CK）含量检测发现，BnaC9.APT5-BnOE株系14 DAP角果中3种非活性细胞分裂素的含量显著低于J9707，活性组分反式玉米素含量无显著差异，异戊烯基腺嘌呤和玉米素含量极低未检出，表明 BnaC9.APT5 参与细胞分裂素代谢调控。酶活实验表明， BnaC9.APT5 蛋白可催化腺嘌呤转化为AMP，提示其参与细胞分裂素代谢调控。

外源激素试验进一步佐证调控机制：喷施细胞分裂素类似物6-苄氨基嘌呤可使apt5突变体每角果粒数增加34.3%；喷施合成抑制剂洛伐他汀后，AtAPT5-OE株系每角果粒数降7.7%，BnOE株系胚珠数与每角果粒数显著下降，J9707仅每角果粒数小幅减少。综上， BnaC9.APT5 通过细胞分裂素代谢途径调控油菜每角果粒数。

图5： BnaC9.APT5 表达差异对油菜不同时期发育角果转录组的影响

图6：APT5通过调节油菜的细胞分裂素代谢影响每角果粒数

小瑞论文总结

本研究的细胞分裂素检测由南京维百瑞检测提供。

作者团队首次揭示甘蓝型油菜中 BnaC9.APT5 调控每角果粒数（SNPS）的分子机制。研究发现，BnaC9.APT5 编码的腺嘌呤磷酸核糖基转移酶可催化腺嘌呤转化为AMP——细胞分裂素合成关键前体，进而通过上调细胞分裂素代谢通路相关基因表达，促进胚珠发育并显著提高每角果粒数；同时，研究鉴定出启动子区48-bp插入变异会抑制基因表达，进而降低每角果粒数，而48-bp缺失型等位基因则为调控产量的优异变异。这为油菜分子设计育种提供了重要的基因靶标与等位变异资源，更为油菜等作物的产量遗传改良提供了可借鉴的研究思路。

图7：油菜中 BnaC9.APT5 调控每角果粒数的工作模型