油菜是我国重要的油料作物，每年生产菜籽油500多万吨，是国产植物油第一大来源。此外，油菜还兼有菜用、花用、饲用、蜜用和肥用等多重功能。油菜的多功能开发与利用，不仅可以提高油菜的种植效应，还能带动当地的养殖业、养蜂业和旅游业等相关产业的发展。香味能够提升农产品的感官体验，深受广大消费者的喜爱，从而赋予农产品更高的商品价值。例如，香味是决定稻米品质和市场价格的关键因素。
稻米香味主要来源于2-乙酰基-1-吡咯啉（2-acetyl-1-pyrroline, 2AP），该物质的产生由于甜菜碱醛脱氢酶2（Betaine Aldehyde Dehydrogenase 2, BADH2）基因的缺失突变导致。BADH2在植物体内的主要功能是将γ-氨基丁醛（γ-aminobutyraldehyde, GABald）转化为γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid, GABA），该酶功能的缺失或减弱，会导致原本应该转化形成GABA的GABald大量累积，从而形成中间产物1-吡咯啉（Δ1-pyrroline），最终转化合成香味物质2-AP。
扬州大学王幼平团队发现油菜中BnaALDH10A9的缺失突变，可导致油菜花、叶片和种子中积累香味物质2AP，从而赋予花瓣和菜籽油产生清香味。上述成果近日以“Generating fragrant oilseed rape using CRISPR/Cas9-mediated gene editing”为题发表在植物学领域顶级期刊Plant Physiology上。
在油菜中BADH2的同源基因有4个，BnaA07.ALDH10A8, BnaC06.ALDH10A8, BnaA06.ALDH10A9 and BnaC03.ALDH10A9。通过亚细胞定位发现只有BnaALDH10A9和水稻的BADH2亚细胞定位一致，都定位于过氧化物酶体，可能具有类似功能。因此我们在油菜BnaALDH10A9两个拷贝（BnaA06.ALDH10A9和BnaC03.ALDH10A9）基因的外显子区域设计靶点并构建CRISPR/Cas9基因编辑载体，通过遗传转化获得敲除突变体。突变体的叶片、花和种子中都可检测到香味物质2-乙酰-1-吡咯啉（2AP），而野生型材料中未检测到2AP。双突变体（bnaa06.aldh10a9 bnac03.aldh10a9）中2AP含量较单突变体（bnaa06.aldh10a9 和bnac03.aldh10a9）中高，其中种子中的2AP含量最高（367.6 μg/kg），其次是花（54.4 μg/kg），然后是叶片（31.0 μg/kg）。花和菜籽油中都散发出一股明显的清香味。此外我们利用2311份油菜种质资源对BnaA06.ALDH10A9 和BnaC03.ALDH10A9开展了单倍型分析，发现BnaC03.ALDH10A9无等位变异，而BnaA06.ALDH10A9存在4种单倍型，但不同单倍型的种质都未发现积累2AP。
综上，该研究证明了油菜中BnaALDH10A9突变导致香味物质2AP的合成和积累，现有的油菜种质中该基因的缺失突变体尚未发现。利用CRISPR/Cas9技术敲除BnaALDH10A9基因，创制出在油菜不同组织中都可产生香味物质2AP的新种质，有望助力油菜的多功能开发利用。
扬州大学生物科学与技术学院吴健副教授为该论文的第一作者，王幼平教授和吴健副教授为共同通讯作者。上海师范大学张辉教授和扬州大学林俐博士等参与了部分工作。该研究工作得到了国家重点研发和国家自然科学基金、江苏省自然科学基金资助。
近年来，扬州大学王幼平教授所在团队在油菜菌核病抗性基因的挖掘和新种质创新方面开展了较为系统的研究工作，研究成果分别发表在Nature Communications （2024）、Plant Biotechnology Journal （2020, 2024）、 Plant Physiology （2022）、Journal of Experimental Botany （2022）和Crop Journal （2021, 2022）等高水平学术期刊上。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/plphys/kiae660
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