蔬菜花卉所通过CRISPR/Cas9基因编辑技术创制了“爆米花”香味大白菜新种质

       近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所白菜课题组在园艺学知名期刊《Horticulture Research》（IF = 9.5，Q1）在线发表了题为“Generating popcorn-like fragrant Chinese cabbage via CRISPR/Cas9-mediated BraBADH2 gene editing”的文章。该研究通过CRISPR/Cas9基因编辑技术首次从头创制出具有“爆米花”香味的大白菜新种质，证实了BADH2基因在十字花科蔬菜中的保守功能，同时敲除该基因不会对农艺性状产生负面影响，为未来十字花科蔬菜风味改良和新种质创制开辟了全新的道路。

       我国大白菜年种植面积约2300万亩，在保障“菜篮子”供应和稳定蔬菜价格中占有十分重要的地位，同时大白菜是全球广泛种植的重要蔬菜，在东亚农业生产与饮食文化中占据核心地位。大白菜可为人体提供维生素、矿物质与膳食纤维，也是泡菜等传统发酵食品的核心原料，其风味品质直接决定产品优质程度。香气作为关键感官性状日益受到育种关注。2-乙酰基-1-吡咯啉（2-AP）是赋予作物爆米花香的挥发性物质，甜菜碱醛脱氢酶2（BADH2）是该合成通路重要负调控因子，BADH2功能缺失突变是水稻、高粱、油菜、番茄、花椰菜等多种作物产生芳香性状的直接原因。尽管BADH2在不同物种间催化功能较为保守，但白菜中BADH2同源基因的变异能否诱导2-AP积累，进而创制芳香白菜种质，目前仍缺乏明确证据。

       本研究通过BLASTP检索比对分析，在白菜A06染色体上鉴定得到BraBADH2，系统发育分析证实其与十字花科其他BADH2同源基因高度保守；该基因在幼芽表达量最高；对白菜重测序数据分析表明，BraBADH2外显子自然变异不会导致功能缺失。我们借助CRISPR/Cas9基因编辑技术，获得3个无脱靶的纯合移码突变株系，突变体生长表型无显著异常，叶片积累2-AP并呈现“爆米花”香气。代谢组与转录组结果证实，BraBADH2敲除引发氨基酸代谢重编程，谷氨酸、GABA等代谢物发生改变，代谢流转向2-AP合成，进而重塑白菜风味。此外，GABA作为重要的信号分子与营养组分，其代谢调控的改变也为研究植物应激响应与人类健康提供新素材。本研究为培育“更好吃、更营养”的大白菜新品种提供了坚实的材料基础。

图1  通过CRISPR/Cas9基因编辑创制爆米花香味大白菜新种质

       中国农业科学院蔬菜花卉研究所为论文第一完成单位。蔬菜花卉所李国亮副研究员和张淑江研究员、河北农业大学赵建军教授为共同通讯作者。中国农科院生物所魏云晓助理研究员、蔬菜花卉所硕士研究生曾晓靖和徐玲燕为共同第一作者。该研究得到山东省良种工程项目、宁夏回族自治区农业科技自主创新项目、国家大宗蔬菜产业技术体系和中国农业科学院科技创新工程等项目资助。

原文链接：https://academic.oup.com/hr/advance-article/doi/10.1093/hr/uhag437/8917284