综述：芸薹属作物黄籽性状遗传调控研究进展

《Oil Crop Science》：Research progress on genetic regulation of the yellow-seeded trait in Brassica Crops

　　

芸薹属（Brassica）作物是全球重要的油料与蔬菜来源，黄籽性状因与高含油量、低纤维含量等优质性状紧密关联，已成为遗传改良的核心目标之一。该性状的形成源于种皮原花青素（proanthocyanidin, PA）生物合成与沉积的抑制，这一过程受上游保守的MBW转录复合体（TT2/TT8/TTG1）调控，并受到母性效应、环境因素及表观遗传修饰的共同影响，形成更为复杂的多基因调控网络。本综述系统比较了6种芸薹属物种（白菜型油菜B. rapa、甘蓝型油菜B. napus、芥菜型油菜B. juncea、黑芥B. nigra、甘蓝B. oleracea、埃塞俄比亚芥B. carinata）的研究进展，总结了已功能验证的关键基因，解析了黄籽、高油、低纤维等多性状协同形成的代谢与遗传基础。最后，研究人员探讨了针对黄籽性状改良的分子育种策略应用与挑战，包括标记辅助选择（marker-assisted selection, MAS）、CRISPR/Cas9基因编辑及多组学整合，并对通过从头设计育种（de novo design breeding）实现品质与产量协同提升的未来潜力进行了展望。

1. 1.
   引言
   芸薹属作物具有重要的经济价值，是全球重要的油料、蔬菜和饲料资源。该属种间关系可由U氏三角模型解释：包含白菜型油菜（AA，2n=20）、黑芥（BB，2n=16）、甘蓝（CC，2n=18）3个二倍体基本种，两两杂交形成甘蓝型油菜（AACC，2n=38）、芥菜型油菜（AABB，2n=36）、埃塞俄比亚芥（BBCC，2n=34）3个异源四倍体种。黄籽性状指种皮呈黄色、质地薄、透光率高的特征，与普通黑籽、褐籽品种相比，黄籽材料种皮木质素与粗纤维含量更低，种子含油量、蛋白含量更高，抗营养因子水平降低，因此营养价值更高，更适宜作为饲料原料。芸薹属黄籽性状大多由隐性基因控制，由于原花青素合成途径受阻或相关基因功能缺失，种皮黄酮类色素积累显著减少，种皮透明度增加，使内部胚乳与子叶的黄色得以显现，因此“黄籽”并非种皮本身的颜色，而是内部组织颜色的透出。其形成机制与黄酮类代谢途径密切相关，拟南芥（Arabidopsis thaliana）中该途径已被深入研究，芸薹属作物虽有相关研究，但不同物种间存在显著差异。白菜型油菜作为黄籽天然资源最丰富的物种，已定位多个黄籽数量性状位点（quantitative trait locus, QTL）并克隆若干关键基因；甘蓝型油菜通过遗传作图与基因编辑等技术鉴定了大量相关基因；芥菜型油菜与甘蓝中也陆续报道了部分关键基因；但黑芥与埃塞俄比亚芥的研究相对匮乏，尚未明确黄籽性状的对应基因。黄籽性状不仅具有重要的农艺与经济价值，也为探索植物黄酮代谢与种皮发育提供了理想模型。本综述系统梳理6种芸薹属物种的黄籽研究进展，旨在深化对其遗传机制的理解，为芸薹属作物分子育种实践提供理论支撑。
2. 2.
   芸薹属作物黄籽性状研究进展
   2.1 主要物种黄籽性状遗传研究概况
   二倍体基本种中，白菜型油菜研究最为深入，早期遗传模型从单基因隐性模型发展为双基因互补模型，随着分子遗传学发展，提出了多基因与QTL协同调控的网络模型。研究人员已在A9染色体定位稳定主效位点，鉴定出BrTT1、BrTT2、BrTTG1、BrTT8等调控原花青素生物合成的关键基因，明确了其在种皮色素沉积中的核心作用。相比之下，黑芥与甘蓝的研究较为有限：黑芥中鉴定了大量花青素相关基因，TT8与BAN在黑籽材料中高表达，提示调控机制在芸薹属内高度保守，但部分MYB转录因子存在物种特异性表达差异；甘蓝中天然黄籽材料稀少，研究主要集中在QTL定位与直系同源基因预测，虽发现C基因组中存在主效与微效基因共同调控种皮形成，但功能验证仍显不足。
   异源四倍体物种中，甘蓝型油菜黄籽性状研究最为广泛，但天然稳定黄籽材料稀缺，现有种质多为通过多代回交从白菜型油菜或埃塞俄比亚芥渐渗黄籽等位基因所得。其遗传模式仍存在争议，目前普遍接受三基因模型，即三个独立位点同时纯合隐性才能表达黄籽表型，且该性状受母性效应、胚胎基因型及环境因素共同调控，导致不同生态背景下表型稳定性较差。通过QTL定位与全基因组关联分析（genome-wide association study, GWAS），研究人员在A09染色体鉴定到主效位点，克隆了BnaA09.PAP2、BnaA09.MYB47a等关键基因，证实其通过负调控原花青素生物合成影响种皮色素沉积；同时在C08、A07等染色体发现多个微效QTL，涉及BnaC08.TTG1、BnaC03.TT4、BnaTT8等重要直系同源基因，共同构成复杂调控网络。
   芥菜型油菜黄籽材料同样稀缺，其创制主要依赖外源基因渐渗。遗传研究表明该性状普遍表现为隐性遗传并伴随母性效应，TT8被鉴定为核心调控因子，基因编辑证实TT8突变或敲除会阻断原花青素积累，形成黄籽或透明种皮，还可能通过与STK互作协同影响种子含油量。虽已定位涉及F3H、PAL等结构基因的多个相关QTL，但其功能验证与调控稳定性仍需深入探究。埃塞俄比亚芥研究尚处起步阶段，因缺乏天然稳定黄籽资源，相关材料主要通过远缘杂交获得。现有遗传分析仅初步提示黄籽性状由少数隐性基因控制，与原花青素积累减少相关，但系统的QTL定位与关键基因功能鉴定仍不足，调控机制有待阐明。

2.2 与拟南芥调控网络的保守性与分歧

拟南芥黄籽性状与含油量、种皮结构等农艺性状密切相关，具有重要育种价值。该性状本质上源于原花青素与黄酮类生物合成的阻滞，使原本厚且呈棕色的色素层变薄、半透明，最终显现内部胚的黄色。其形成主要受TRANSPARENT TESTA（TT）基因家族调控，其中TT2（MYB）、TT8（bHLH）、TTG1（WD40）组装形成核心MBW转录复合体，通过协同激活BAN、TT3、TT18等下游关键结构基因精确启动色素生物合成；同时TT16、TT1通过调控种皮细胞发育为色素沉积提供结构基础，复合体成员或下游转运蛋白的突变会阻止色素积累，形成黄籽表型。此外，光照、紫外辐射、温度等环境因素可通过调控MBW复合体活性微调色素沉积。近期研究证实，黄酮类生物合成途径受阻时，碳源会重定向至脂肪酸生物合成途径，为品质协同改良提供了理论基础。

芸薹属与拟南芥的黄籽性状关键调控基因与分子机制高度保守，拟南芥中鉴定的TT2、TT8、TTG1等核心调控因子的直系同源基因在白菜型油菜、甘蓝型油菜等芸薹属物种中普遍存在，并参与种皮色素形成。但与二倍体拟南芥不同，芸薹属基因组经历了广泛的多倍化事件，黄籽相关基因常以多个同源拷贝形式存在，可能发生功能分化或冗余。在多基因协同调控、遗传背景与环境因子共同作用下，芸薹属黄籽性状表现出更复杂的遗传模式与更低的表型稳定性，导致天然稳定黄籽材料相对稀缺。综上，芸薹属虽继承了拟南芥的核心调控机制，但呈现出更高的遗传复杂性，需通过多组学与功能验证的系统整合加以解析。

2.3 黄籽性状与关键农艺性状的耦合

芸薹属黄籽性状并非孤立的形态特征，而是由多个优良农艺性状构成的复合表型。大量研究证实黄籽性状与种子含油量呈稳定正相关，与种皮纤维素、木质素含量呈显著负相关，因此黄籽种质通常有效出油率更高、种皮纤维含量更低，呈现“高油低纤”的品质优势；同时种皮色素与部分抗营养因子水平普遍降低，但这些变化主要被视为伴随特征。这种系统性关联提示黄籽性状与各类农艺性状可能共享共同的生理生化过程。

黄籽性状与高油、低纤等优良农艺性状的稳定关联，本质上源于种皮色素生物合成抑制引发的代谢网络重构。黄籽材料中，原花青素及相关黄酮类合成与沉积受阻直接导致种色变浅，这是后续结构与代谢改变的开端。由于种皮色素沉积与细胞壁增厚/木质化在时空上协同调控，且受部分重叠的遗传网络调控，色素途径关键基因的功能缺陷常产生多效性，导致种皮细胞壁纤维素与木质素合成与沉积同步减少，形成更薄、更脆、低纤维的种皮。在此基础上，色素代谢的抑制进一步影响种子内的碳源分配：原花青素生物合成是高碳消耗的次生代谢分支，其活性降低减少了种皮的碳流失，使更多碳骨架与能量重新分配至胚的脂肪酸与脂质生物合成，最终促进油脂积累。此外，近期研究证实调控色素合成的TT8与正向调控芸薹属油脂积累的STK存在显著的遗传连锁，进一步从遗传层面巩固了黄籽性状与高油含量的耦合关系。黄籽性状绝非孤立的形态标记，而是与高油、低纤等关键品质性状密切相关的复杂复合表型，深入阐明这些关联的内在机制，可为黄籽性状在农艺性状协同优化的育种实践中提供坚实的理论基础。

1. 3.
   芸薹属作物黄籽性状的特征解析
   3.1 黄酮类代谢途径
   芸薹属黄籽性状是种皮结构改变与色素沉积异常共同作用的结果：种皮整体显著变薄，栅栏细胞层细胞壁厚度降低，细胞排列更疏松；同时富含深色色素的色素沉积层发育不良，沉积的原花青素及其氧化聚合产物显著减少或完全缺失，使下方黄色胚更易显现，形成宏观黄籽表型。这些种皮结构与色素沉积的异常与黄酮类代谢途径的紊乱密切相关。
   黄酮类代谢是植物重要的次生代谢过程，负责合成黄酮醇、黄烷酮、原花青素（PAs）、花青素等多种化合物，在植物生长发育、胁迫响应及组织特异性色素形成中发挥关键作用。该途径以苯丙氨酸为起点，经查尔酮、黄烷酮等一系列中间产物，在关键酶催化下分化为花青素与原花青素分支，其中原花青素分支是决定芸薹属黄籽性状形成的关键代谢通路。该分支上游PAL、C4H、4CL等基因提供黄酮类合成前体；中游CHS、CHI、F3H组成的黄酮类合成阶段催化生成白花青素、表儿茶素等关键中间产物；下游DFR、ANS、BAN等基因引导原花青素的成熟与氧化，决定种皮色素沉积。此外，TT12、TT19、TT10等基因分别参与黄酮类代谢产物的转运与氧化聚合反应调控，在原花青素在种皮中的正确沉积中发挥关键作用。因此，黄酮类途径任何关键步骤的阻滞，尤其是原花青素分支基因的下调或功能缺失，都会阻碍原花青素生物合成或积累，进而触发黄籽表型。

3.2 芸薹属作物黄籽性状调控基因

截至目前，已鉴定并功能验证19个芸薹属黄籽相关基因，其中甘蓝型油菜占比最高，功能类别涵盖转录因子、结构酶、转运蛋白；白菜型油菜明确约5个基因，多为转录因子；芥菜型油菜与甘蓝也有少量实验验证的基因；但埃塞俄比亚芥与黑芥尚未鉴定到明确的功能基因。

调控种皮色素的转录因子中，TT8基因至关重要，是甘蓝型油菜、芥菜型油菜、白菜型油菜黄籽性状的关键决定因子。拟南芥中TT8调控黄酮类代谢与花青素沉积，在种子发育后期高表达；芸薹属中TT8基因高度保守，但因物种倍性差异存在变异：甘蓝型油菜含3个同源拷贝，其中BnaC09.TT8a因结构域缺失功能丧失成为假基因，需BnaA09.TT8与BnaC09.TT8b同时突变才能产生稳定黄籽表型；芥菜型油菜含A09与B08两个拷贝，两者均突变才表达黄籽性状；二倍体白菜型油菜仅单个拷贝，其功能缺失直接导致黄籽。TT8作为bHLH家族核心成员，与TT2、TTG1协同形成转录激活复合体（MBW），TT2负责识别靶基因并启动转录程序，TTG1通过提供结构蛋白支持维持复合体稳定性，三者共同调控黄酮类生物合成途径多个关键结构基因的转录，是目前芸薹属黄籽育种的主要靶点，利用CRISPR/Cas9敲除TT8基因已成为创制优质黄籽品种的有效策略。

除TT8外，芸薹属还存在多个其他转录调控因子：白菜型油菜与甘蓝型油菜的TT1编码WIP型锌指转录因子，主要在黄酮类生物合成早期发挥作用，通过调控三元激活复合体（MBW）的转录活性控制下游关键基因表达；甘蓝型油菜中还观察到TT16与TT1的协同互作，TT16属于MADS-box转录因子家族，参与苯丙烷代谢调控与种皮内皮层正常分化；甘蓝型油菜BnA09.MYB47a与白菜型油菜BrMYB111在不同黄酮类合成阶段发挥互补作用，前者通过调控BnTT18影响代谢流向，后者促进黄酮类前体生成，过表达可促进二氢槲皮素积累；甘蓝中鉴定到一对拮抗因子，BoMYB113.1通过激活花青素生物合成途径促进组织着色，BoMYBL2.1则通过抑制同途径基因转录维持组织绿/白色状态。

结构基因研究主要集中在甘蓝型油菜，目前已克隆并功能验证BnaTT7（编码黄酮类3'-羟化酶F3'H）、BnaTT10（编码漆酶样多酚氧化酶）、BnaTT18（编码无色花青素双加氧酶LDOX）等关键基因，分别催化羟基化、氧化聚合与花青素生物合成，共同调控原花青素代谢途径；同时BnaA.BAN.a与BrSCC1作为正调控基因促进色素加深，增强该途径的合成与积累效率，沉默或突变会导致原花青素积累显著减少。

除生物合成调控外，色素转运与修饰也在黄籽形成中发挥关键作用：甘蓝型油菜BnaTT12是关键转运蛋白，负责将原花青素前体 sequestrate至液泡，其突变会破坏化合物的细胞内区室化，但在部分遗传背景下突变体成熟种皮表型仍与野生型相似，提示可能存在额外的补偿调控机制。与BnaTT12的色素转运作用不同，近期发现的DYSOC1是首个报道的作用于色素生物合成上游的显性调控基因，位于甘蓝型油菜A09染色体，编码SCF泛素连接体的Skp1-like组分，通过靶向降解调控苯丙烷与黄酮类生物合成的关键转录因子，抑制整个途径并减少种皮色素沉积；敲除DYSOC1会导致种皮色素加深，过表达则可诱导黄籽表型出现。

1. 4.
   芸薹属黄籽性状的调控机制
   TT家族在黄籽性状调控中发挥核心作用，其中由TT2（MYB）、TT8（bHLH）、TTG1（WD40）组成的MBW三元复合体尤为关键。该复合体作为上游关键调控元件，通过直接结合黄酮类生物合成途径结构基因（如DFR、LDOX、BAN）的启动子激活其转录，控制原花青素生物合成，是种皮着色的核心“开关”。复合体中TT2编码R2R3-MYB转录因子，通常负责靶基因选择与特异性调控，是复合体的功能核心，通过特异性识别并结合靶基因启动子区域直接调控下游结构基因转录；TT8编码bHLH转录因子，虽不直接结合启动子，但作为桥接蛋白同时连接TT2与TTG1，介导蛋白质相互作用，增强复合体的转录激活能力与稳定性；TTG1编码WD40重复蛋白，作为支架蛋白维持整体结构完整性，辅助复合体在染色质上的组装与稳定。MBW复合体活性还受多层次调控机制调节：R3-MYB抑制因子可通过竞争性结合TT8干扰复合体组装，形成负反馈回路防止原花青素过度积累；同时复合体本身受光照、温度等环境因素调控，共同实现对黄酮类代谢与原花青素积累的精细调控。
   但黄籽表型的形成不仅依赖于上游MBW复合体的转录调控，还取决于原花青素及其前体在液泡内的积累，这是决定种皮颜色的关键阶段。该过程主要由转运蛋白与液泡微环境调控：谷胱甘肽S-转移酶（glutathione S-transferase, GST）结合黄酮类前体，促进其从细胞质转运至液泡；MATE家族转运蛋白TT12介导跨膜运输，将中间产物高效递送至液泡；这些化合物随后在AHA10维持的酸性环境中发生聚合；途径末端TT10催化原花青素的氧化聚合，最终决定深色种皮的形成。
   此外，黄籽性状受复杂的多基因互作调控。大量QTL定位揭示该性状并非由单一主效基因决定，而是主效位点与多个微效QTL协同作用的结果，伴随显著的上位性效应。例如MBW复合体协同调控原花青素生物合成结构基因，任一组分功能缺陷都会直接阻断色素积累，导致黄籽表型；苯丙烷途径关键结构基因CAD、CCR常与种皮颜色QTL共定位，其等位变异与表达水平的协同变化共同影响木质素与色素沉积；由于芸薹属基因组的多倍性，不同同源拷贝的等位变异可组合产生黄籽性状，显性上位性进一步修饰最终表型，共同增加了黄籽性状遗传的复杂度与功能冗余性。
   最后，环境因素与表观遗传机制为黄籽性状提供了额外的可塑性。芸薹属中种皮颜色受环境信号显著调控，光照强度、植物激素等外部信号可直接或间接通过改变母体植株生理状态与种子发育轨迹影响色素生物合成；同时DNA甲基化、组蛋白修饰等表观遗传机制可在不改变DNA序列的前提下，通过调控关键调控基因的表达状态影响种皮色素沉积。
   综上，芸薹属黄籽性状的形成是由MBW复合体主导、结构基因执行、多基因互作强化、环境与表观遗传机制共同调控的复杂网络过程，这一多层次调控系统共同决定了原花青素的生物合成，最终塑造了黄籽性状的表现与表型稳定性。
2. 5.
   分子育种策略与展望
   5.1 分子育种策略与技术进展
   芸薹属黄籽性状的形成主要由种皮原花青素及相关黄酮类的调控生物合成与沉积决定，该机制在模式植物与甘蓝型油菜中已得到明确阐释。传统表型选择虽曾推动黄籽品种选育，但受育种周期长、环境干扰大、难以精准控制种皮色素沉积等因素限制，效率低下。随着黄籽性状分子机制的日益清晰，育种策略正从经验性表型选择向基因层面的技术路径转变。
   基因组层面，数量性状位点（QTL）定位与标记辅助选择（MAS）为黄籽性状的遗传解析奠定了基础。QTL定位通过双亲群体的连锁分析鉴定与种皮颜色相关的染色体区段，MAS则基于已知QTL或候选基因标记实现育种材料的早期筛选。但由于黄籽性状受多基因与微效位点共同调控，依赖有限显著位点的QTL与MAS技术难以实现高效解析与利用，全基因组关联分析（GWAS）随之成为解析此类复杂性状的有力工具。近期研究对大规模甘蓝型油菜自然群体进行种皮颜色精准表型测定，整合高密度SNP数据进行关联分析，鉴定到多个与种皮颜色显著关联的遗传位点，多数位于黄酮类与原花青素生物合成途径基因附近，为分子分型、优异等位变异筛选及后续育种利用提供了直接靶区域；同时GWAS促进了与种皮色素积累显著相关的遗传位点与候选基因的鉴定，为优异等位基因跨物种利用与黄籽性状定向改良提供了宝贵参考。
   在此基础上，基因组编辑技术实现了从遗传关联到黄籽性状定向改良的跨越。以BnaTT8基因为例，研究人员首先通过序列分析明确多倍体油菜基因组中BnaTT8的同源拷贝与保守区域，随后设计特异性gRNA靶向所有功能拷贝，构建包含gRNA与Cas9蛋白表达元件的重组载体并导入植物细胞。该系统引导Cas9蛋白对BnaTT8保守区域的目标序列进行定点切割，触发细胞修复机制实现定点诱变，成功创制出种皮颜色显著变浅、遗传稳定的黄籽油菜品系；该技术也被用于敲除甘蓝型油菜两个功能冗余的BnTT2同源基因，通过抑制黄酮类生物合成途径同样获得了稳定黄籽突变体。基因组编辑技术可实现多同源拷贝的高效同步编辑，有效克服遗传冗余导致的功能补偿限制，为油菜种皮色素关键途径的精准人工干预提供了可能。
   然而，单一性状的精准改良仍不足以满足实际农业生产需求，核心挑战在于如何在黄籽遗传背景下同步优化产量、含油量等其他品质性状。多组学整合已成为多性状协同改良的重要支柱。已有研究通过转录组与代谢组联合分析，阐明了黄籽材料中种皮色素生物合成与脂质积累的调控关系：黄酮类与原花青素合成相关基因的全局下调，伴随脂肪酸生物合成与油脂组装相关基因及代谢物的显著上调，为黄籽性状与高油含量的协同改良提供了分子基础；进一步的多组学方法还鉴定到同时影响种皮色素与种子品质性状的关键调控因子，为筛选兼具黄籽、高油、稳产特性的有利等位变异奠定了基础。此外，基因组选择（genomic selection, GS）作为复杂数量性状的预测工具，已成功应用于产量与含油量的预测；尽管GS尚未直接专门用于黄籽育种，但将多组学解析的关键位点信息整合入GS模型，有望进一步提升多性状协同改良的选择效率，加速优质黄籽品种的定向培育。

5.2 育种挑战与未来展望

尽管芸薹属黄籽性状的分子育种与遗传改良已取得显著进展，实际应用中仍面临诸多严峻挑战。首先，黄籽性状是典型的复杂数量性状，受多基因与微效位点协同调控，通过单一位点选择或简单策略难以实现稳定改良。其次，种皮色素生物合成对环境波动高度敏感，深刻的基因与环境互作导致种色表型不稳定，增加了可靠育种选择的难度。实际育种中，黄籽性状的改良必须与产量、含油量、抗逆性等其他关键农艺性状协同推进，但这些性状往往存在复杂的遗传相关与权衡关系，过度侧重种色而忽视多性状优化，将限制黄籽材料在商业化生产中的大规模推广。因此，亟需从单一性状导向转向以农艺性状综合改良为核心的集成育种目标。

随着基因组学、多组学解析技术与精准育种策略的快速发展，黄籽性状改良正迈入机制驱动研究与分子设计育种相结合的新阶段。未来，通过整合基因组选择、基因编辑与多组学洞见，有望在复杂遗传背景下实现黄籽性状与高产、高油及优良农艺性状的协同改良，从根本上推动优质芸薹属品种的定向培育。