油菜属于十字花科芸薹属,是我国乃至全世界的重要油料作物。在世界范围内,油菜是仅次于大豆和棕榈的世界第三大植物油来源。在我国,油菜是继水稻、玉米、小麦和大豆之后的第五大经济作物,也是我国第一大油料作物,其中甘蓝型油菜（Brassica napus,2n=4x=38,AACC）是我国乃至全世界主要的油菜栽培种。近些年来,已经有不少产量高、品质佳的油菜新品种被辛勤的育种工作者研发成功,对油菜的产业发展做出了巨大贡献。但是,严重的干旱胁迫、高低温胁迫、病虫害和植株易倒伏以及机械化水平低等因素仍然制约着油菜的生产。究其原因,仍旧是较低的经济系数（收获指数）、不太理想的株型和不强的适应性等因素引起的,而这些方面的遗传改良是油菜产业的核心追求,这些性状的同步改良才能真正满足油菜的实际生产需求。但传统研究中的单个基因效应往往只能解决一方面或少数方面的问题,挖掘出同时能在以上几个方面解决问题的关键基因具有重要的理论意义和应用前景。MYB转录因子是植物中最大的转录因子家族之一,基因数量庞大、功能和种类繁多,几乎参与了植物生长发育、成分代谢和适应性的各个方面。它参与植物对生物和非生物胁迫的反应,调节在植物生长发育过程中的细胞增殖分化、组织形态发生、器官形成以及植物代谢过程中的初生代谢物和次生代谢物的种类和含量。所以一直以来MYB转录因子都是作为研究植物转录因子功能的热点。综合分析本课题组前期研究和他人研究报道中的一些侧面信息（间接证据）后,我们推测拟南芥或甘蓝型油菜中MYB55可能是植物生长发育和抗性的调控因子,但迄今为止整个植株界还未见有系统性克隆和功能解析MYB55或其垂直同源基因的研究报道。本研究系统地完成了甘蓝型油菜及其亲本物种白菜（B.rapa,2n=2x=20,AA）和甘蓝（B.oleracea,2n=2x=18,CC）的 MYB55 基因家族的全长cDNA和gDNA的克隆,分析了核酸与蛋白的分子特征,揭示了表达特征的亚细胞定位、器官组织特异性、激素响应性和逆境应答性,并获得了超量表达BnMYB55的转基因油菜。通过对转基因后代的植物学、农艺学、组织解剖与组织化学、生理生化、分子生物学、转录组学、代谢组学等层面的研究,系统性地揭示了BnMYB55调控甘蓝型油菜重要性状的功能特征和可能的内在机理。1.甘蓝型油菜、白菜、甘蓝MYB55家族的克隆和表达特征本研究分别克隆了甘蓝型油菜及其亲本物种白菜和甘蓝的MYB55基因家族成员。甘蓝型油菜MYB55家族有两个成员:BnMYB55-1和BnMYB55-2。白菜和甘蓝中的MYB55均为单基因编码:BrMYB55和BoMYB55。生信分析表明MYB55编码S13亚组的R2R3-MYB类转录因子,并与SAt46、SAt103、S16和SAt85等亚组在系统发生关系上相邻,表明这些亚组之间在结构特征或生理功能上可能会存在一定的相似性,推测MYB55可能与维管组织发生-器官木质化有关。qRT-PCR结果显示,不管是甘蓝型油菜还是白菜和甘蓝,MYB55家族各成员都在茎秆等木质化器官中优势表达。在茎秆发育过程中,BnMYB55家族在甘蓝型油菜成熟茎中的木质部优势表达。BnMYB55家族的表达响应各种逆境和激素处理,其中尤为显著的是在0.5 h内快速响应核盘菌的诱导而大幅度上调。综上所述,可以推测BnMYB55参与调控油菜木质化器官的生长发育和抗逆性。2.超量表达BnMYB55改善了油菜各器官的生长发育并显著提高了产量在农艺学调查层面上:转基因植株的根、叶、茎、分枝和籽粒等的生长发育都得到了显著的改善,例如转基因的根长和侧根数分别显著增加了 54.95%和54.58%,单株叶面积在植株生育的各个时期显著增加了 35.42%-62.54%,茎粗显著均增加了 20.50%左右,二次分枝数和二次分枝长分别极显著增加了 366.67%和173.28%,一次和二次分枝角果数分别显著增加了 27.20%和252.66%,每角有效粒数显著增加了 30.18%,单株籽粒产量显著增加56.86%。在组织解剖学层面上:转基因油菜茎秆横截面上各类组织细胞的数量均显著增加,木质纤维细胞和导管的细胞壁厚度也显著增加。在生理层面上:超量表达BnMYB55的转基因油菜的叶片净光合速率和水分利用效率显著高于野生型（WT）植株,茎秆中各种激素含量也发生了变化,尤其是抽薹早期茎秆中的油菜素内酯、赤霉素和独角金内酯均极显著下调。在组学和分子生物学层面上:通过差异转录组和qRT-PCR分析,发现细胞周期、胞壁合成与积累、生长发育等方面的许多重要基因均显著上调。综合以上各层面的结果,我们得出超量表达BnMYB55显著地促进了油菜各器官的生长发育（尤其是维管器官的组织发生和生长）,改善了油菜的株型,提高了油菜的产量。3.超量表达BnMYB55显著提高了油菜的抗倒伏能力在农艺学调查层面上:转基因油菜的根系更发达,茎秆更粗壮,根冠比增加。在生理学层面上:转基因植株的抗折力极显著提升,特别是茎秆的基部极显著增加了 39.52%。在组织解剖学和组织化学层面上:转基因植株茎秆横切面变大,茎秆髓部和木质部面积均增大,木质纤维细胞壁极显著的增厚了 33.39%,导管细胞壁显著增厚了 26.82%,木质化组织的厚度也显著增加了 27.54%。在生物化学层面上:转基因植株茎秆细胞壁中的纤维素、木质素和果胶分别显著升高了 10.03%、11.47%和25.69%。在分子生物学层面上:qRT-PCR分析表明,转基因植株中与纤维素、木质素和果胶生物合成相关的重要基因总体上均呈上调趋势。在组学层面上:通过RNA-Seq技术,GO分析发现在Cellular Component中,各器官的 DEGs 都富集到Plant-Type Cell Wall 上,KEGG Pathway Enrichment 分析结果显示各器官的DEGs富集到苯丙烷生物合成等通路上。综合以上各层面的结果,得知超量表达BnMYB55显著提高了油菜的抗倒能力。4.超量表达BnMYB55显著地提高了油菜的抗菌核病能力在生理层面上:通过接种核盘菌,结果显示转基因植株的叶片病斑面积和茎秆病斑长度均显著减小了 23.37%和70.96%。在组织解剖学和组织化学层面上,转基因植株木质部面积增大,木质部显著增厚了 27.54%,木质纤维细胞壁极显著增厚了 33.39%,导管细胞壁显著增厚了26.82%。在生物化学层面上,转基因植株茎秆中的纤维素、木质素和果胶均显著升高了 10.03%、11.47%和25.69%。在分子生物学层面上,qRT-PCR表明转基因植株中与纤维素、木质素和果胶生物合成相关的主要基因总体上都呈上调趋势。另外,油菜菌核病诱导相关基因WRKY18、NINJA、WRKY28、WRKY75、WRKY33和WRKY22的表达在转基因植株中均向着增加抗病性的方向显著变化。在组学层面上,通过RNA-Seq技术,GO分析发现在Biological Process中,各个器官的DEGs都富集响应各种逆境,在Cellular Component中根、叶、花和种子中的DEGs都富集到Plant-Type Cell Wall,在Molecular Function中各器官富集偏向于参与调节植物的次生代谢、抗真菌病害和抗逆境方面,KEGG Pathway Enrichment分析结果显示各器官的DEGs富集到植物与病原菌互作通路上。在转基因油菜的茎秆、叶片和种子中进行次生代谢物的测定,结果发现超量表达BnMYB55会引起苯丙烷途径物质流的量化性重塑,同时也引起了硫苷类化合物合成代谢的显著变化。综合以上结果,超量表达BnMYB55显著提高了油菜的抗菌核病能力。5.超量表达BnMYB55重塑并提升了植物生长-防御平衡植物防御需要次生代谢物质,而次生代谢物质的生产需要物质和能量,植物本身又受有限资源的限制,抗性上分配的资源多了,那么植物生长发育和种子生产的资源就相对变少,这就是植物的生长-防御平衡。但是生长-防御之间的调控机制我们却又知之甚少。同时提高抗病性和产量潜力是作物育种的一个挑战。本文超量表达BnMYB55以后既能显著改善油菜的生长发育、改变株型、增加产量,同时又能显著增加油菜的抗倒伏和抗菌核病能力。这不仅涉及对同化物用途的生长-防御平衡,也涉及到开源即更多同化物的合成,因为BnMYB55超表达植株的叶片净光合速率和水分利用效率也显著增加了。BnMYB55可作为重塑和提升生长-防御平衡的一个宝贵的新调控因子,并且可以通过对BnMYB55基因功能的研究探讨出一种新的同时获得高抗病性、高抗倒、理想株型、高生物量和高籽粒产量的策略。本研究系统揭示了BnMYB55基因家族参与油菜多种代谢、生长发育和重要性状的功能特征和内在机理,为相关理论的深入研究奠定了基础,并显示了巨大的分子育种潜力。