Science Bulletin | 朱玉贤院士团队王坤教授破解洪山菜薹颜色和美味的基因组密码

责编 | 王一

不结球白菜(Brassica campestris L. ssp. chinensis Makino)，又称小白菜、小油菜，原产我国，生长周期短、适应性广、产量高，在我国中部及以南地区周年栽培种植，占春、秋、冬菜播种面积的30％～50％，是全年播种面积最大的蔬菜之一，在我国的蔬菜周年供应中有着重要的地位。不结球白菜是人们生活中不可缺少的一种重要蔬菜，味道鲜美可口，营养丰富，百吃不厌，为广大群众所喜爱。其以柔嫩的莲座叶（普通白菜，俗称小白菜）或花径（菜薹）供食用，种类和品种繁多，其中最具传统特色、素有“金殿御菜”之美誉的洪山菜薹，具有独特的口感和风味与丰厚的历史文化。然而，同为白菜类蔬菜，红菜薹的薹茎独为红色，且其口感风味独特等表型和品质的机制尚不清楚。

近日，武汉大学联合武汉市农业科学院和湖北省农业科学院在Science Bulletin上(IF=18.9)发表了题为“The complexity of structural variations in Brassica rapa revealed by assembly of two complete T2T genomes”的研究论文，该研究利用了高深度超长读长ONT测序与高精度长读长HiFi测序，结合Bionano染色体光学图谱构建技术，构建了两个白菜类蔬菜—普通白菜 (B. rapa ssp. chinensis) 和红菜薹 (B. rapa ssp. purpuraria) 的端到端无缺口完整基因组，揭示了红菜薹薹茎红色表型的关键基因。脂肪族硫代葡萄糖苷的大量生物合成和向薹茎的高效运输，可能是菜薹作为薹用蔬菜特殊风味的遗传基础。

基于完整的基因组，研究者详细解析了白菜类蔬菜的高复杂区域—着丝粒和rDNA的序列特征。白菜着丝粒由大量176-bp的单体形成的卫星序列组成，在不同亚种间，着丝粒的演化速率要显著高于其它区域。与其它植物不同的是，白菜的45S rDNA区域呈现出松散且显著扩张的特征，而大量特殊类型转座子的插入是扩张的主要原因。值得注意的是，白菜的45S rDNA区域与先前研究所报道的白菜次着丝粒区域完全重合，预示着白菜45S rDNA的扩张可能与次着丝粒的形成有着一定关系。

菜薹特异的基因组结构变异形成了红菜薹紫红色薹茎的表型

洪山菜薹因含有大量的原花青素而呈紫红色。原花青素是一类具有保健功能的生物活性成分，有助于清除人体内自由基，具有抗氧化、预防心脑血管疾病、保护肝脏等生理功能。通过与其它20个白菜类蔬菜的基因组比较，研究者发现一个位于7号染色体上、紫菜薹特异的结构变异最终导致了其紫红色薹茎的表型。该结构变异位于紫菜薹的一个驯化位点中，转录因子BrMYB2上游245bp处的启动子区域内。后续验证表明，该结构变异使得BrMYB2在紫菜薹薹茎中的表达量显著上调，并最终使其呈现紫红色。该变异在多个不同的紫菜薹品系中均得到了验证。

洪山菜薹的脂肪族硫代糖苷促进了其独特风味品质的形成

洪山菜薹作为一种具有特色的高档时令蔬菜，深受人们喜爱，其特性在于优良的品质。前期研究表明，芸薹属作物的风味往往来自于一类存在于十字花科植物中的次生代谢产物：硫代葡萄糖苷(GSL)。该研究结合基因组与转录组的比较，指出脂肪族硫代葡萄糖苷合成通路上的一些基因在菜薹叶片中有显著的上调，说明其在菜薹体内的合成可能有显著的提高；另外，控制硫代糖苷自叶片向薹茎转运的GTR1基因在菜薹中产生了额外的拷贝，这使得GTR1在菜薹中的表达量产生了几十倍的上调。脂肪族硫代葡萄糖苷的大量生物合成和向薹茎的高效运输，可能是菜薹作为薹用蔬菜特殊风味的遗传基础。

综上所述，该研究首次发表了白菜类蔬菜完整的基因组，加强了我们对白菜基因组中高复杂区域的认识，同时也揭示了洪山菜薹的紫红色薹茎和特殊风味性状的遗传基础。这项研究的结果在白菜的功能研究中具有宝贵的参考价值，也为进一步的分子育种设计和新品种选育奠定了基础。

武汉大学生命科学学院博士研究生周一凡、叶瀚哲和刘恩纬为该文的共同第一作者，武汉大学生命科学学院王坤教授、武汉市农业科学院蔬菜研究所汪爱华研究员、湖北省农业科学院聂启军研究员为该文的共同通讯作者。武汉大学朱玉贤院士在该研究项目的启动、组织和实施过程中提供了支持和指导。该研究得到湖北省重点研发计划、湖北省杰出青年基金和湖北省乡村振兴科技支撑项目的支持。

https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.03.030