敲开油菜多功能利用新大门：五重敲除 Bna.BRC1 基因塑造高分枝种质

《Plant Communications》：Targeted disruption of five Bna.BRC1 homologs in rapeseed generates a highly branched germplasm for its multifunctional utilization

为解决油菜高分枝种质及相关基因匮乏的问题，研究人员开展了靶向敲除油菜中五个 Bna.BRC1 同源基因的研究。结果获得高分枝突变体，可提升油菜在蔬菜、青贮饲料和绿肥等方面的价值，为油菜多功能利用提供新种质。

　　油菜，作为世界第二大油料作物，在中国油料作物种植版图中占据着重要地位。近年来，随着对油菜综合价值的深入挖掘，多功能发展策略应运而生。它不仅能生产食用油，还能作为蔬菜、饲料、肥料，甚至成为观光农业的宠儿。然而，在油菜的多功能开发进程中，一个关键的限制因素逐渐凸显 —— 具有明显高分枝特性的种质资源极其匮乏，这使得油菜的鲜茎产量、生物量和种子产量提升受到阻碍，难以充分发挥其潜在的整体价值。

在此背景下，湖北大学、中国农业科学院油料作物研究所等机构的研究人员敏锐地捕捉到这一问题，决心深入探索。他们将目光聚焦于 BRANCHED1/TEOSINTE BRANCHED1（BRC1/TB1）基因，这是一种在植物中高度保守的 TCP 转录因子，作为多个芽生长调控途径的整合者，对植物的分枝起着关键的调控作用。研究人员推测，敲除油菜中所有的 BRC1 同源基因，或许能够创造出一种全新的高分枝种质。

研究人员开展了一系列实验研究。首先是基因编辑与突变体筛选，他们通过蛋白质相似性在油菜品种 Westar 中鉴定出五个 Bna.BRC1 基因，并设计了三个单导向 RNA（sgRNAs），利用 CRISPR/Cas9 技术构建载体，导入油菜中。经过筛选，获得了两个无转基因的五重突变体 Bna.brc1-4 和 Bna.brc1-37。

形态学观察方面，野生型油菜在营养生长阶段，子叶和莲座叶通常不会出现明显的腋芽生长，只有在现蕾后腋叶才会长出分枝。但令人惊喜的是，两个突变体在两叶期时，子叶腋部就开始形成可见的腋芽，六叶期时营养枝持续发育，整个生长周期中不断产生分枝。到了成熟阶段，突变体的有效分枝数量大幅增加，第一分枝和第二分枝数量分别约为野生型的 2.3 倍和 6.2 倍，不过植株高度有所降低，矮化了约 14.7%。

接着是多功能利用价值评估，研究人员选择 Bna.brc1-4 突变体在两种不同种植密度（6 株 /m2（D6）和 18 株 /m2（D18））下进行研究。在初花期，D6 条件下 Bna.brc1-4 可收获的适合作为蔬菜的鲜枝数量约为野生型的两倍。盛花期时，无论是 D6 还是 D18 条件下，Bna.brc1-4 的生物量都显著增加，鲜重约为野生型的两倍，而且该突变体表现出对种植密度不敏感的分枝表型。然而，在两种密度条件下，突变体和野生型单株种子产量相似。这表明 Bna.brc1-4 突变体在提升油菜作为蔬菜、青贮饲料和绿肥的价值方面具有巨大潜力，即使在高密度种植模式下也能发挥优势。

然后是调控通路解析，研究人员对野生型和 Bna.brc1-4 未伸长腋芽进行转录组分析，发现 Bna.brc1-4 中有 2896 个基因表达受到抑制，其中许多与芽休眠相关，且在芽休眠基因中出现的频率远高于随机预期。进一步研究发现，Bna.BRC1 可与 Bna.HB21 和 Bna.HB53 启动子结合，促进其表达，而这些基因的同源基因在拟南芥中可通过诱导 ABA 合成酶 NCED3 促进 ABA 生物合成，进而抑制枝条生长。在 Bna.brc1-4 突变体中，腋芽内源性 ABA 水平显著降低，外施 ABA 则可恢复突变体的表型，抑制腋芽发育。这一系列实验表明，ABA 在 Bna.BRC1 调控油菜分枝的过程中处于下游位置。

在研究中，研究人员主要运用了 CRISPR/Cas9 基因编辑技术，精准地对油菜的 Bna.BRC1 基因进行靶向敲除 ；还使用了转录组分析技术，全面解析野生型和突变体腋芽的基因表达差异，挖掘潜在的调控基因和通路；另外，通过酵母单杂交、染色质免疫沉淀 - 定量 PCR（ChIP-qPCR）和瞬时荧光素酶（LUC）活性测定等技术，验证 Bna.BRC1 与其他基因启动子的结合以及对基因表达的调控作用。

综上所述，研究人员成功利用多重编辑技术获得了 Bna.brc1-4 和 Bna.brc1-37 五重突变体，这是一种全新的高分枝种质，其直立的植株结构使得子叶和叶片的所有叶腋都能长出分枝。更为重要的是，研究人员提供了两个无转基因的突变品系，可直接应用于育种计划，培育优良的高分枝品种，显著提升油菜的多功能利用价值。该研究揭示了 Bna.BRC1 通过上调 Bna.HB21s 和 Bna.HB53s 的表达，诱导 ABA 生物合成，从而负向调控油菜分枝的分子机制，为优化油菜植株结构、提升其多功能利用潜力提供了新的策略和理论依据，也为 BRC1 基因在其他十字花科作物中的应用研究开辟了新的方向。论文发表在《Plant Communications》上，为相关领域的研究提供了重要的参考，有望推动油菜乃至其他作物多功能利用的进一步发展。