甘蓝型油菜PEL基因家族全基因组鉴定及BnaPEL1调控光合效率与产量的功能解析

为解决油菜光合效率提升难题，西南大学等单位研究人员通过CRISPR/Cas9技术靶向编辑BnaPEL1基因，发现其负调控叶绿素合成，敲除后显著增强光合作用（Pn提升13-25%）并提高产量（千粒重增加）。该研究为高光效油菜育种提供了新靶点，发表于《BMC Plant Biology》。

　　

【研究背景】
在全球油菜籽供需失衡的背景下，提高光合效率成为育种关键。光合作用中叶绿素含量直接决定光能转化效率，但传统调控手段常伴随植株矮化、干旱敏感等副作用。水稻和拟南芥中发现的PSEUDO-ETIOLATION IN LIGHT（PEL）基因能特异性调控叶绿素积累，但其在油菜中的功能尚未阐明。西南大学等单位的研究团队在《BMC Plant Biology》发表研究，首次揭示甘蓝型油菜BnaPEL1基因通过核质转运通路调控叶绿素合成的分子机制。

【关键技术】
研究采用全基因组生物信息学分析鉴定24个PEL家族成员；利用CRISPR/Cas9构建BnaPEL1-A04/C08双敲除株系；通过透射电镜观察叶绿体超微结构；结合转录组测序（Illumina HiSeq2000平台）分析差异基因；采用Li-6400光合仪测定净光合速率（Pn）；基于Arnon法测定叶绿素a/b含量。

【研究结果】

1. 基因家族特征分析
   系统鉴定甘蓝型油菜、白菜、甘蓝中24个PEL基因，均含保守A_thal_3526结构域。进化树显示PEL1/3亚组编码酸性蛋白（pI 4.65-6.69），而PEL2/4亚组为弱碱性蛋白（pI 5.50-9.26）。启动子分析发现光响应元件占比最高（图2A），BnaPEL1在叶片和角果皮中高表达（图2B）。

2. 功能验证
   拟南芥过表达BnaPEL1导致叶片黄化（SPAD值降低37%），而敲除株系叶绿体类囊体堆叠明显（图4C-D）。油菜敲除系C08-1叶绿素含量提升21%，净光合速率（Pn）达30.62 μmol·m^-2·s^-1（表1）。

3. 农艺性状
   敲除系单株产量增加19.8%，主要源于有效分枝数（增加3.2个）和千粒重（提升0.28g）（图6H）。透射电镜显示突变体叶绿体梭形饱满（图4D）。

4. 分子机制
   转录组分析发现核质转运通路（19个上调基因）和叶绿素合成通路（POR、CHLG上调）激活（图8D）。关键差异基因BnaC07G0446000ZS（STAY-GREEN蛋白）表达量增加2.3倍。

【结论意义】
该研究首次证实BnaPEL1通过抑制GLK转录因子（未直接激活）和调控核质转运负向调控叶绿素合成。创制的敲除材料在不引起不良表型的前提下，实现光合效率与产量协同提升，为油菜"高光效-高产"育种提供了新策略。研究还揭示了植物特有的A_thal_3526结构域在光合调控中的保守功能，为作物光合改良提供了普适性靶点。