分子標(biāo)記在大豆遺傳育種中的應(yīng)用

王海濱　張君

摘要 大豆起源于我國，是重要的植物蛋白質(zhì)和食用油脂的來源，同時也是世界上重要的糧食與經(jīng)濟(jì)作物。大豆的遺傳研究一直受到很高的重視，但與其他作物相比，仍明顯滯后。育種專家一直在開發(fā)提高育種效率的技術(shù)。DNA分子標(biāo)記被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要技術(shù)之一。文中綜述了分子標(biāo)記在大豆育種中的應(yīng)用情況，并對存在的主要問題進(jìn)行了探討，為大豆的進(jìn)一步開發(fā)利用提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞 大豆；分子標(biāo)記；遺傳育種

中圖分類號 S565.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）03-00658-02

大豆含有豐富的脂肪和蛋白質(zhì)，是糧食、油料和飼料兼用作物，在人民生活中占有十分重要的地位。過去十多年來，伴隨經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及生活水平的不斷提高，我國對飼用蛋白和植物油脂的需求量與日俱增。僅2012年，我國就進(jìn)口大豆（以轉(zhuǎn)基因大豆為主）5 838萬t，而國產(chǎn)大豆只有1 300 萬t，自給率僅為20%，形勢非常嚴(yán)峻[1]。傳統(tǒng)育種主要依賴于作物的表現(xiàn)型選擇，基因間互作、環(huán)境條件、基因型與環(huán)境互作等因素都會對表型選擇效率產(chǎn)生影響[2]。因此，傳統(tǒng)育種方法效率低、周期長、成本高，并且具有一定的盲目性。

生物技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是DNA分子標(biāo)記的出現(xiàn)，極大地推動了育種事業(yè)的發(fā)展。DNA分子標(biāo)記是DNA水平上遺傳多態(tài)性的直接反映，具有分布均勻、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。目前，DNA 分子標(biāo)記已被廣泛應(yīng)用于大豆的遺傳多樣性研究、遺傳圖譜的構(gòu)建、數(shù)量性狀基因分析和分子標(biāo)記輔助選擇等各個方面。

1 分子標(biāo)記技術(shù)在大豆育種中的應(yīng)用

1.1 大豆遺傳多樣性研究 遺傳多樣性是指物種的種內(nèi)或種間個體間的基因變化[3]。大豆種質(zhì)資源是大豆遺傳改良的基礎(chǔ)，正確評定種質(zhì)資源的變異特點(diǎn)，明確其間的遺傳關(guān)系，非常有利于大豆的改良。2012年，周春娥等利用SRAP標(biāo)記對133份大豆進(jìn)行遺傳多樣分析，多態(tài)性比率為87.6%，期望雜合度為0.287 4[4]。這說明用SRAP分子標(biāo)記分析大豆遺傳多樣性非常適宜，同時也為大豆遺傳資源的保護(hù)和利用提供了依據(jù)。2012年，曾維英等用SSR標(biāo)記，對1980年和1981年在廣西收集的68份野生大豆進(jìn)行遺傳多樣性分析，等位變異數(shù)目范圍為4～11條，平均為6.83條[5]。聚類分析把68份材料分為了2大類，各地區(qū)材料之間存在明顯的遺傳差異。2013年，Appiah-Kubi D等運(yùn)用SSR標(biāo)記和形態(tài)特征對來自加納、尼日利亞和巴西的36份大豆材料進(jìn)行遺傳多樣性的分析[6]。基于杰卡德相似系數(shù)，用20個SSR標(biāo)記將種質(zhì)資源分為了6組。根據(jù)株高、單莢粒數(shù)和成熟期3個重要形態(tài)性狀，應(yīng)用 PCA雙標(biāo)圖，鑒定種質(zhì)資源，將其分成了3類。這對加納的大豆雜交育種工作有很大的促進(jìn)作用。2013年，趙青松等利用SSR標(biāo)記對廣東省5個縣野生大豆居群的遺傳多樣性進(jìn)行了分析，在60個SSR位點(diǎn)共檢測出263個等位變異，同一位點(diǎn)上等位基因數(shù)目平均為4.38個[7]。依據(jù)遺傳距離將南雄和乳源聚類為1類，連南和連州聚類為1類，仁化單獨(dú)為1類。2013年，王彩潔等利用125對SSR標(biāo)記對東北和黃淮海地區(qū)的89個大豆品種進(jìn)行遺傳多樣性分析，結(jié)果顯示黑龍江北部、黑龍江中南部、吉林遼寧地區(qū)和黃淮海地區(qū)品種標(biāo)記的多態(tài)性信息含量（PIC）依次為0.414、0.469、0.522和0.562，表明品種的SSR標(biāo)記的多態(tài)性自北向南逐漸升高[8]。

1.2 大豆遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建 大豆含有廣泛的復(fù)制區(qū)和豐富的重復(fù)序列，并且基因組較大，在129×109～181×109 bp [9]。與玉米、水稻等作物相比較，大豆的遺傳圖譜發(fā)展比較緩慢。1988年，Apuya等把Minsoy和Noirl雜交得到的F2群體作為研究對象，構(gòu)建了第1張大豆RFLP圖譜，共有11個RFLP標(biāo)記，覆蓋4個連鎖群[10]。1997年，張德水等以長農(nóng)4號×新民6號的F2群體構(gòu)建了我國第1張大豆遺傳連鎖圖譜，包括8個RAPD標(biāo)記和63個RFLP標(biāo)記，覆蓋20個連鎖群，總遺傳距離1 446.8 cm[11]。1999年，Cregan等將3個（A81-356022×PI468916、Minsoy×Noir 1和Clark×Harosoy）遺傳連鎖圖譜整合為1個包括20個連鎖群、標(biāo)記總數(shù)為1 423個的大豆“公共圖譜”[12]。2004年，Song等利用5個群體對大豆整合遺傳圖譜進(jìn)行了加密，增加了420對新的引物，成功構(gòu)建了最具代表性的一張包含1 849個SSR標(biāo)記的大豆“公共圖譜”，該圖譜總遺傳距離2 524.6 cm，標(biāo)記間的平均距離縮短為2.5 cm[13]。2010年，汪霞等以溧水中子黃豆（P1）×南農(nóng)493-1（P2）雜交得到的260株F2反交個體為材料，用SSR標(biāo)記進(jìn)行擴(kuò)增，得到1張含有113個分子標(biāo)記，包含34個連鎖群的遺傳圖譜，其總長度為1 557.85 cm，標(biāo)記間平均距離為13.79 cm[14]。每個連鎖群上的標(biāo)記數(shù)目為2～10個，連鎖群長度在6.9～109.1 cm。2012年，洪雪娟等以Peking×7605組合分別在濟(jì)南和南京衍生大豆重組自交系群體為材料，利用145個SSR多態(tài)性引物和1個形態(tài)學(xué)標(biāo)記進(jìn)行分析，構(gòu)建出2張分別含27和25個連鎖群的大豆遺傳圖譜，其總長度分別為1 574.80和1 682.50 cm，標(biāo)記間平均距離分別是13.58和15.72 cm，連鎖群長度范圍分別為17.30～127.40和20.10～137.50 cm[15]。

1.3 數(shù)量性狀基因分析 QTL（Quantitative Trait Loci），即數(shù)量性狀基因座位，是指控制數(shù)量性狀的基因在基因組中的位置。作物中大部分的農(nóng)藝性狀是由多基因或QTL控制的數(shù)量性狀，采用傳統(tǒng)的育種方法對這些性狀進(jìn)行選擇難度非常大。借助與QTL連鎖的分子標(biāo)記，可以在育種中跟蹤相關(guān)QTL的遺傳動態(tài)，提高數(shù)量性狀的可操作性。

1.3.1 大豆產(chǎn)量性狀QTL。2010年，劉春燕等以美國大豆品種Charleston為母本，東農(nóng)594為父本，以F2∶14代重組自交系的154個株系為材料，用SSR引物對群體進(jìn)行擴(kuò)增，對2年同一地點(diǎn)下在親本間表現(xiàn)多態(tài)的莢數(shù)、百粒重等12個與產(chǎn)量相關(guān)的農(nóng)藝性狀進(jìn)行調(diào)查和分析[16]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與12個產(chǎn)量性狀相關(guān)的QTL有33個，其中6個QTLs在2個環(huán)境下被檢測到，表明受環(huán)境的影響很小。

1.3.2 大豆品質(zhì)性狀QTL。2012年，葛振宇等在RIL群體中定位了3個控制蛋白與油分的QTL。其中，控制油分性狀的QTL位于H連鎖群的Satt442分子標(biāo)記附近；控制蛋白質(zhì)和油分雙性狀的2個QTL分別位于E連鎖群的Satt384分子標(biāo)記附近，以及I連鎖群的Satt496分子標(biāo)記附近，并且Satt496分子標(biāo)記附近的QTL是控制油分穩(wěn)定的主效QTL[17]。

1.3.3 大豆抗病蟲性狀QTL。2013年，黃珊珊等對大豆蚜抗性進(jìn)行QTL分析，一共發(fā)現(xiàn)5個與大豆蚜抗性相關(guān)的QTL位點(diǎn)，其中2個QTL位點(diǎn)位于F連鎖群，貢獻(xiàn)率分別為26.29%和13.15%；2個QTL位點(diǎn)位于B1連鎖群，貢獻(xiàn)率分別為7.64%和7.00%；1個QTL位點(diǎn)位于D2連鎖群，貢獻(xiàn)率為11.26%[18]。

1.4 分子標(biāo)記輔助選擇 分子標(biāo)記輔助選擇（Marker-assisted Selection，MAS）是將分子標(biāo)記應(yīng)用于作物改良過程中進(jìn)行選擇的一種輔助手段[19]。其基本原理是利用與目標(biāo)基因緊密連鎖或表現(xiàn)共分離關(guān)系的分子標(biāo)記對選擇個體進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域以及全基因組篩選，從而減少連鎖累贅，獲得期望的個體，達(dá)到提高育種效率的目的[20-21]。

1.4.1 在回交育種中的應(yīng)用。當(dāng)農(nóng)藝性狀由單基因或寡基因等質(zhì)量性狀基因控制時，如果對其進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇，大多采用回交育種分析方法。每一回交世代與分子標(biāo)記輔助選擇相結(jié)合，篩選出含有目的基因的品系，從而培育出理想品種。

2002年，段紅梅等利用具有魯豆4號背景的不同世代脂氧酶缺失株系為材料，用SSR標(biāo)記進(jìn)行遺傳背景回復(fù)率相關(guān)分析，鑒定出缺失Lox Z株系L144遺傳背景回復(fù)率高達(dá)0.937 5，加快了大豆種子脂氧酶缺失品種的育種進(jìn)程[22]。2009年，蔣洪蔚等利用美國大豆品種Clark與主栽品種紅豐11所構(gòu)建的回交導(dǎo)入系，經(jīng)過芽期耐低溫篩選鑒定，有46個導(dǎo)入系個體在芽期耐低溫性狀上明顯超過輪回親本。利用這套選擇群體結(jié)合隨機(jī)對照群體和基因型分析，檢測到分布于大豆8個連鎖群的12個與大豆芽期耐低溫相關(guān)的QTL[23]。2012年，曾慶力等利用野生豆ZYD00006和綏農(nóng)14構(gòu)建的BC3F2代回交導(dǎo)入系群體為篩選材料，對小粒豆材料進(jìn)行遺傳定位分析，共檢測到9個與小粒豆相關(guān)的位點(diǎn)，分布在7個連鎖群上，其中有7個標(biāo)記連鎖的QTL位點(diǎn)是新發(fā)現(xiàn)的[24]。

1.4.2 在基因聚合中的應(yīng)用?；蚓酆鲜菍⒍鄠€有利基因通過選育聚合到一個品種中[25]。基因聚合可以使品種同時在多個性狀上得到改良。育種專家將多個控制垂直抗性的基因聚合到同一品種中，可以提高作物抗病的持久性。

2008年，Maroof S等用標(biāo)記輔助選擇將SMV抗性基因Rsv1、Rsv3和Rsv4，通過復(fù)合雜交聚合到同一個品種中[26]。將含有1、2或3個Rsv抗性基因的品系接種6個美國SMV株系后，發(fā)現(xiàn)具有2或3個Rsv抗性基因的品系對SMV抗病的持久性明顯提高。2010年，王大剛等用齊黃1號、科豐1號和大白麻（分別攜帶抗性基因RSC14Q、RSC8、RSC4）作為抗性基因的供體，對3個親本復(fù)交（齊黃1號×科豐1號）×（大白麻×南農(nóng)1138-2）后代進(jìn)行了標(biāo)記輔助選擇，并對SMV株系SC14、SC8和SC4進(jìn)行表型鑒定。從F4代篩選出20株攜帶抗性基因RSC14Q、RSC8、RSC4的聚合材料，其中2個單株攜帶的3個抗性基因位點(diǎn)已經(jīng)純合，為大豆花葉病毒病的防治提供了有價值的聚合材料[27]。

2 問題與展望

近年來，分子標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，但在育種中的應(yīng)用卻遠(yuǎn)沒達(dá)到預(yù)期效果。原因主要有以下幾方面：①目標(biāo)基因的定位與分子標(biāo)記輔助選擇脫節(jié)。目前，大多數(shù)研究只考慮了研究的方便，而沒有考慮與育種材料的結(jié)合，因而許多研究最終都只停留在目標(biāo)基因的定位上。②標(biāo)記信息的丟失。標(biāo)記并不是基因，由于重組使標(biāo)記與基因分離，導(dǎo)致選擇偏離方向。③大多重要性狀是數(shù)量性狀，是多基因控制的。對于數(shù)量性狀標(biāo)記的鑒定，還有待于進(jìn)一步開發(fā)更簡便、快速、準(zhǔn)確的方法。