解鎖花田裡的“基因密碼”
——純黃早熟甘藍型黃籽油菜育種記

春日的長沙,油菜花田宛如一片金色的海洋。
3月21日,記者來到農業農村部湖南油菜綜合科研試驗基地,湖南農業大學教授劉忠鬆及其團隊正在地裡忙碌著。
劉忠鬆左手輕輕握著一株油菜的花冠,右手用鑷子熟練地摘除花朵,拔除還未開花的花骨朵的花萼、花瓣和雄蕊,涂上花粉,裝上白色保護套,“去雄雜交”的一套流程順利完成。一開春,他們就開始了新一輪品種選育繁育,這是第一步。
團隊成員、博士楊柳告訴科技日報記者,油菜分白菜型、芥菜型和甘藍型三大物種。自然界中前兩者均存在黃籽植株的天然突變,但在甘藍型油菜中尚未發現這種現象。傳統的甘藍型油菜存在抗病性差、耐旱性弱等問題,且油菜籽顏色偏黑,導致菜油顏色也不理想。因此,黃籽性狀是油菜品質改良的重要目標之一。多年來,劉忠鬆帶領團隊專注於將其他油菜物種的優異性狀導入甘藍型油菜,希望培育出早熟高油的黃籽品種。
我國食用植物油自給率僅30%,其中油菜作為國產第一大油料作物,每年提供的優質食用油佔國產總量的近50%。充分利用南方6000余萬畝冬閑田發展早熟高油的黃籽油菜,將為國家糧油安全提供重要支撐。
尋找決定種色的關鍵基因
在岳麓山實驗室油菜品種創制中心,劉忠鬆辦公室外的走廊裡,懸挂著一幅油菜黃籽基因精細定位和圖位克隆圖。
2011年,在捷克舉行的第13屆國際油菜大會上,劉忠鬆首次向業界講述了這幅圖裡的成果。在基因測序技術尚不發達的年代,這項耗時10多年的研究成果引起了廣泛關注。它不僅在技術上取得突破,更打破了傳統的育種思維方式。
劉忠鬆的研究方向聚焦於芥甘種間雜交育種,即芥菜型黃籽油菜與甘藍型油菜的雜交育種。最初,他主要研究種子的性狀遺傳,但進展緩慢。直到一次出國做訪問學者的經歷,讓他的思維仿佛“重啟”。
1998年,他決定從分子層面尋找黃籽油菜種子呈黃色的關鍵基因。劉忠鬆告訴記者:“如果能在基因層面取得突破,黃籽油菜品種選育的‘主陣地’有望從田間轉移到實驗室,育種時間也將大大縮短。”
然而,當時基因組測序技術還不成熟,也沒有現成的油菜基因組序列可供參考。為了找到關鍵基因,團隊每年都要前往甘肅等地開展試驗,並通過手提肩扛的方式,將鑒定出的數千株黃籽油菜植株材料帶上列車,搬回實驗室進行基因分析。
沒有捷徑可走,他們就用圖位克隆,即借助分子標記鎖定並克隆特定基因的傳統方法。經過無數次嘗試和驗証,不斷縮小基因所在區域的范圍,團隊最終克隆出黃籽調控基因TT8,並首次組裝出了芥菜型黃籽油菜全基因組。他們探明了TT8突變致使種皮不合成積累原花色素,導致種皮薄而透明、種子呈現黃色的分子機制。
“當時我們帶著6名研究生,花了兩個多月才‘釣’到關鍵基因。”劉忠鬆說。此后,團隊又鑒定出芥菜型油菜開花期調控關鍵基因SRR1和適應區域,為黃籽早熟油菜育種提供了理論指導。
構建育種“新底盤技術”
找到關鍵基因后,團隊的芥甘種間雜交研究變得順利起來。劉忠鬆深信,如果能在育種中同時控制這些基因,就能獲得穩定的黃籽遺傳性狀,這也將是油菜育種領域的重大突破。
團隊又開始了艱難的探索。他們利用夏季長日照單向性雜交、甘藍型油菜回交、雜種后代小孢子培養和強化性狀選擇等技術,從百余個芥甘種間雜交后代中,精心篩選出3株珍貴的黃籽甘藍型植株。這3株植株,如同希望的火種,承載著團隊的期望。
劉忠鬆萌生了一個念頭,將基因定位克隆的成果應用於這3株油菜的進一步選育中。他創造性地提出了一套“新底盤技術”,其以“苗期黃籽基因型選擇+種子發育早期香草醛染色鑒定法”為核心。這一技術將油菜育種選擇周期從2代縮短到1代,選擇准確率高達100%,徹底告別了全球業界對種子顏色性狀的肉眼甄別時代。
通過目的基因在種間的穩定轉移,團隊培育出了具有穩定黃籽性狀的甘藍型黃籽油菜核心種質資源“黃矮早”,即黃籽、矮稈、早熟,填補了全球純黃且遺傳穩定的甘藍型油菜種源的空白,為黃籽甘藍型油菜育種提供了源頭支撐。
劉忠鬆團隊以“黃矮早”為親本,成功培育出黃籽早熟系列油菜新品種,其中4個品種被農業農村部和湖南省列為主推品種。這些品種結出的油菜籽含油量從原有品種的低於42%,提高到了近50%﹔產油量則從畝產60公斤左右提高到90公斤以上,讓油菜成功實現單產大幅提升。截至目前,這些品種累計推廣8268.5萬畝,促進農業增收超過189億元。此外,團隊研發的油菜播收機械及配套栽培技術,助力我國農業實現了黃籽油菜全程機械化高效生產,累計節本增效15.35億元。
劉忠鬆自豪地說:“我們的研究不僅提升了油菜的產量和含油量,更讓農民的收入大幅增加。”
豐富高油基因資源“儲備”
1月31日,劉忠鬆聯合國內外相關團隊,在《美國科學院院報》上發表了攻關20余年取得的重大科研成果。該研究從分子水平揭示了黃籽油菜高油積累的“底層邏輯”,並闡明其起源於中國西南地區,為高油黃籽油菜育種提供了寶貴的基因資源“儲備”。
“這些有關基因的基礎研究成果來自我們對油菜的遺傳溯源。”劉忠鬆說。
團隊為培育出更多優良性狀的油菜品種,長期致力於油菜遺傳溯源研究,足跡遍布全國油菜種植省份。通過對我國特有芥菜型黃籽地方品種“四川黃籽”的追蹤,團隊構建了全球首個黃籽油菜高質量基因組,並對全球38個國家和地區的480份種質進行基因組重測序。研究發現,芥菜起源於西亞,后經3條路徑向東傳播,演化出6個不同類群。結合核基因組、胞質基因組分析及考古文獻,團隊重建了芥菜的起源和馴化歷史。
“遺傳溯源和基因技術結合,讓我們不斷鑒定出新基因,為不同用途芥菜的基因組設計育種提供基因資源和科學依據。”團隊成員、湖南農業大學教授康雷說,這有助提高育種效率、加速育種進程。
近年來,團隊不斷破譯基因新“密鑰”,在油菜品種選育上持續向“高油”目標突破。2024年,團隊新選育的短生育期、優質宜機收油菜品種“湘油228”,畝產油菜籽201.9公斤,產油量近100公斤,為南方三熟制地區油菜生產帶來新希望。
2025年中央一號文件提出,“深入推進糧油作物大面積單產提升行動”“挖掘油菜、花生擴種潛力”。劉忠鬆表示:“下一步,團隊將繼續攻關聚合優良基因難題,培育出超高油、適應性更廣的純黃油菜品種,助力油菜產業邁向‘高產高油高效早熟’的‘三高一早’時代!”

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