基于图位克隆的功能解析揭示CDF3是调控芸薹属植物开花时间的关键基因

《Horticulture Research》：Map-based cloning and functional characterization reveal CDF3 as the causal gene for the flowering time phenotype in Brassica rapa and Brassica napus

本研究针对春型白菜(Brassica rapa)开花时间调控机制不清的问题，通过图位克隆技术精细定位到一个控制开花时间的主效QTL qFTA06，发现Dof转录因子BrCDF3是导致"浩油11"早花性状的关键基因。研究人员利用病毒诱导基因沉默(VIGS)和CRISPR/Cas9基因编辑技术验证了CDF3在白菜和甘蓝型油菜(Brassica napus)中均作为开花负调控因子，并通过单倍型分析揭示了自然变异对开花时间的影响。该研究为芸薹属作物早熟育种提供了重要理论依据和基因资源。

　　

在作物育种中，早熟性是一个至关重要的目标。特别是在中国南方多熟制种植区，早熟作物的栽培能够有效提高土地复种指数，而在高海拔和高纬度地区，早熟品种的生长有助于规避低温胁迫和霜冻危害。春型白菜(Brassica rapa)和甘蓝型油菜(Brassica napus)作为我国西部高海拔地区和北方高纬度地区的主要夏季作物，对早熟品种的需求尤为迫切。然而，春型白菜开花时间的遗传机制至今尚未完全阐明，这严重制约了早熟品种的选育进程。

来自青藏高原的"浩油11"是一个极具价值的极早熟白菜地方品种，在西宁春播条件下仅需约30天即可开花，全生育期约90天。与常规早熟品种相比，"浩油11"表现出卓越的适应性，可在无霜期短、海拔2700米以上的地区成功栽培。尽管该品种在早熟育种中具有不可替代的价值，但其早花性状的分子机制仍不清楚。

为了解决这一科学问题，马千茹等研究人员在《Horticulture Research》上发表了题为"Map-based cloning and functional characterization reveal CDF3 as the causal gene for the flowering time phenotype in Brassica rapa and Brassica napus"的研究论文。该研究通过综合运用基因组学、遗传学和分子生物学手段，系统解析了"浩油11"早花性状的遗传基础，为芸薹属作物早熟育种提供了新的基因资源和理论支撑。

研究人员主要采用了以下几个关键技术方法：首先利用基因分型测序(GBS)和混池分离分析测序(BSA-seq)进行初定位，然后通过构建近等基因系(NILs)进行精细定位，最后运用病毒诱导基因沉默(VIGS)和CRISPR/Cas9基因编辑进行功能验证。研究材料包括来自青藏高原的"浩油11"和"大黄"两个白菜品种及其杂交后代群体。

开花时间性状的表型鉴定和遗传分析

研究发现，"浩油11"和"大黄"在不同环境条件下开花时间存在显著差异，"浩油11"比"大黄"早开花20.63-35.19天。在人工气候室中，"浩油11"在出苗后18.14天即可开花，而在西宁春播条件下为33.27天。F₁和RF₁杂种的开花时间介于双亲之间，偏向早花亲本"浩油11"，且F₁与RF₁之间无显著差异，表明该性状主要受核基因控制。F₂群体开花时间呈连续分布，表现为数量性状特征，广义遗传力为81.18%。

高密度连锁图谱的构建

通过对203个F₂个体和双亲进行GBS测序，研究人员构建了包含151,718个标记的高密度遗传图谱，总长度为666.19 cM，平均标记距离0.005 cM。共鉴定出154,539个纯合变异位点，包括129,944个SNPs和24,595个InDels，为后续QTL定位奠定了坚实基础。

F₂群体开花时间的QTL分析

利用简化基因组测序数据进行QTL分析，在A06、A07和A10染色体上检测到三个与开花时间相关的QTL，分别命名为qFTA06、qFTA07和qFTA10。其中qFTA06位于44.20-46.95 cM区间，LOD值为13.00，贡献率为22.80%，是控制开花时间的主效QTL。

qFTA06的精细定位

通过开发次级分离群体和分子标记辅助选择，研究人员将qFTA06定位到A06染色体上75.16 kb的区间内，该区间包含5个候选基因。通过序列比对和表达分析，最终确定BraA06g020060.3.5C（BrCDF3）为最可能的候选基因。

BrCDF3是qFTA06最可能的候选基因

序列分析发现，BrCDF3基因在早花和晚花材料间存在76个SNPs、34个InDels和1个236 bp的结构变异。表达分析显示，BrCDF3在晚花材料NIL-L中的表达量显著高于早花材料NIL-E。亚细胞定位实验证实BrCDF3定位在细胞核中，符合转录因子的特征。

CDF3基因作为芸薹属植物开花时间的负调控因子

通过VIGS技术抑制BrCDF3表达后，NIL-L植株开花时间平均提前6.40天，证明BrCDF3是开花时间的负调控因子。在甘蓝型油菜中，过表达BnCDF3导致开花延迟，而CRISPR/Cas9敲除BnCDF3则引起早花。值得注意的是，BnCDF3可能不是通过经典的CO/FT途径，而是通过调控FLC基因的表达来影响开花时间。

CDF3基因遗传变异对开花时间的影响

近等基因系分析表明，携带"浩油11"BrCDF3等位基因的NIL-E比NIL-L早开花约6.87天，但产量相关性状无显著差异。单倍型分析将346份甘蓝型油菜种质分为Hap1和Hap2两种单倍型，Hap1材料在不同环境下均表现出更早的开花时间。

本研究通过系统的遗传学和分子生物学分析，首次在芸薹属作物中克隆并功能验证了CDF3基因作为开花时间关键调控因子的作用。研究发现CDF3通过调控FLC基因的表达来影响开花时间，这一发现为理解植物开花调控网络提供了新视角。更重要的是，研究鉴定的CDF3自然变异位点为芸薹属作物早熟育种提供了宝贵的基因资源，有望通过分子标记辅助选择加速育种进程，培育适应不同生态区的优良品种。

该研究的创新之处在于将传统图位克隆与现代基因组学技术相结合，不仅精细定位了控制开花时间的主效QTL，还通过多物种比较分析验证了CDF3功能的保守性。研究结果对解决高海拔和高纬度地区作物生产中的早熟需求具有重要意义，为芸薹属作物遗传改良提供了理论依据和技术支撑。