分子標記在豆科藥食兼用植物研究中的應用

詹海仙，裴香萍，劉計權，尚彩玲，杜晨暉，魏硯明，張朔生

（1.山西中醫(yī)藥大學中藥學院，山西 晉中 030619；2.山西省農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所，山西 太原 030031）

豆科植物屬于被子植物三大科之一，種植遍及世界各地。豆科植物種類繁多，生產(chǎn)上常見的藥食兼用豆科植物有大豆屬、菜豆屬、扁豆屬、落花生屬、豇豆屬、蠶豆屬、槐屬、葫蘆巴屬、黃芪屬、決明屬、紫云英屬、錦雞兒屬、崖豆藤屬等。因該科植物含生物堿、皂苷、多糖、黃酮等活性成分，除日常食用外，還具有滋補身體、防治疾病的功效，受到廣泛關注[1]。

傳統(tǒng)方法選育豆科藥食兼用植物品種的缺點是育種周期長，選擇效率比較低，費時費力。隨著分子生物學和測序技術的快速發(fā)展，尤其是分子標記技術的出現(xiàn)，對豆科植物遺傳育種產(chǎn)生極大的影響。DNA分子標記可直接反映基因組DNA間的差異，不受植物環(huán)境和生長時期的影響，具有多態(tài)性高、效率高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可直接實現(xiàn)對豆科植物基因型的準確選擇[2]。利用豆科植物已公布的基因組數(shù)據(jù)信息挖掘各種分子標記，可用于豆科藥食兼用植物遺傳多樣性分析、種質資源鑒定、遺傳圖譜構建、基因定位和分子標記輔助育種等方面。

1 遺傳多樣性分析

遺傳多樣性是物種多樣性存在的前提，利用分子標記對豆科藥食兼用植物品種間遺傳多樣性分析，推斷品種間親緣關系，對于提高豆科藥食兼用植物的產(chǎn)量和質量具有十分重要的意義。分子標記技術具有多態(tài)性高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點，被廣泛應用于豆科藥食兼用植物種質資源遺傳多樣性分析。楊凱敏等[3]對90余份大豆種質進行了遺傳多樣性分析，發(fā)現(xiàn)59個SSR標記中有50對標記具有多態(tài)性，共擴增出等位變異154個。ZONG等[4]利用12對AFLP標記對30份中國蠶豆地方品種、136份來自多個國家的蠶豆品種和41份國際干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究中心的蠶豆育種品系進行多樣性分析，檢測到244條多態(tài)性條帶，將供試蠶豆分成4大類。宗緒曉等[5]將1 984份豌豆品種進行遺傳多樣性分析，發(fā)現(xiàn)21對SSR標記，將豌豆品種聚合成3大類群。趙波等[6]對5個國家的558份小豆種質資源進行遺傳多樣性研究，檢測出11對多態(tài)性SSR標記，產(chǎn)生86個變異位點，并將小豆材料分成5大類。DATTA等[7]采用60對RAPD標記對24個印度綠豆品種進行分析，檢測到33對標記，擴增出224條多態(tài)性條帶，將供試綠豆分成2大類。陳立強等[8]采用SSR標記對42個紫花苜蓿品種進行了遺傳多樣性研究，15對引物在供試種質中獲得163條多態(tài)性擴增條帶，將供試種質分為5大類。姜麗麗等[9]利用ISSR標記對內(nèi)蒙古地區(qū)30個黃芪樣本進行遺傳多樣性分析，擴增出157個多態(tài)性位點，將樣本分成2大類。叢曉麗等[10]對8個內(nèi)蒙古狹葉錦雞兒進行遺傳多樣性分析，14對SSR引物均擴增出多態(tài)性條帶，從而將8個樣本劃分為4大類。

2 種質資源鑒定

搜集和鑒定國內(nèi)外植物種質資源，不僅可以拓寬種質資源遺傳多樣性，加快種質創(chuàng)新和新品種選育，同時還可為進一步遺傳多樣性分析等研究奠定基礎。植物種質資源鑒定涵蓋親緣關系鑒定、品種鑒定、真實性鑒定以及純度鑒定4個方面[11-12]。豆科藥食兼用植物種質鑒定主要采用傳統(tǒng)的形態(tài)學和生化鑒定方法居多，利用分子標記技術對豆科植物的種質資源鑒定主要涉及大豆屬、落花生屬和扁蓿豆屬的研究[13-14]。菜豆屬、豇豆屬、蠶豆屬、槐屬、葫蘆巴屬、黃芪屬等種質資源鑒定仍以籽粒顏色、大小和生育期等農(nóng)藝性狀鑒定為主。曲忠誠[15]利用SSR引物對5個大豆品種進行PCR分析，剔除混雜株，從而進行了大豆原原種的提純工作。REN等[16]利用146對SSR標記對國內(nèi)不同地區(qū)的196份花生栽培種進行了親緣關系鑒定，擴增出440個多態(tài)性條帶，基因多樣性的平均值為0.11，86份品種中等位基因頻率小于1%。李鴻雁等[17]利用89對SSR引物對50份內(nèi)蒙古野生扁蓿豆種質資源進行親緣關系鑒定，其中18對引物擴增出109個等位基因位點，野生扁蓿豆品種間平均遺傳距離約為0.2。侯萬偉等[18]利用RAPD標記對12個蠶豆品種進行分析，發(fā)現(xiàn)1對引物S1可以明確區(qū)分蠶豆品種，從而進行蠶豆品種鑒定。

3 遺傳圖譜構建和基因定位

遺傳圖譜即基因在染色體上相對應的位置，是進行基因定位和分子標記輔助育種等遺傳研究的基礎。遺傳圖譜中分子標記的數(shù)量和標記在染色體上的均勻度決定了遺傳圖譜的質量，因此，需要不斷尋找和開發(fā)新的分子標記，增加遺傳圖譜飽和度，為藥食兼用植物遺傳研究提供豐富的圖譜資料。大多數(shù)植物的農(nóng)藝性狀和品質性狀表現(xiàn)為數(shù)量性狀遺傳方式。數(shù)量性狀基因定位主要指基因在基因組中的具體位置，是了解基因功能和基因克隆的前提。依靠分子標記進行植物遺傳圖譜構建和基因定位，被廣泛應用于豆科藥食兼用植物的研究。國內(nèi)外學者開展了大量大豆抗病蟲害等數(shù)量性狀基因定位研究工作。CHEN等[19]對大豆種質SX6907的抗銹病基因進行了定位研究，利用11對SSR標記將抗病基因定位到18號染色體上約111 kb區(qū)間。ACHARYA等[20]利用2 545個SNP標記和2個SSR標記構建了大豆種質PI 567301B抗赤霉病的遺傳圖譜，識別的2個QTL位點分別解釋了38.5%和8.1%的表型變異。菜豆抗病基因定位方面的研究也比較多見，18個抗菜豆炭疽病基因Co-1～Co-13中，大部分是通過分子標記方法進行的基因定位[21]。朱吉風等[22]利用F2分離群體，構建了菜豆品種龍蕓豆5號抗普通細菌性疫病的遺傳圖譜，該圖譜包含12個連鎖群206個SSR引物，平均長度137.37 cM。CHEN等[23]通過對菜豆地方品種紅蕓豆基因組DNA序列分析獲得SSR位點，并且據(jù)此設計開發(fā)出大量SSR標記對菜豆進行基因定位。隨著花生第1張以SSR標記為基礎的遺傳圖譜公布，利用分子標記構建花生遺傳圖譜的文章相繼發(fā)表[24]。HUANG等[25]利用1 175對SSR標記和42對轉座子多態(tài)性標記，構建了長度為2 038.75 cM的花生高密度遺傳圖譜。2014年綠豆全基因組測序和2015年小豆全基因組測序工作的完成，極大促進了綠豆和小豆遺傳圖譜構建和抗性基因定位工作[26]。王建花等[27]構建了包括11個連鎖群的綠豆遺傳圖譜，95個SSR標記間距約15 cM。通過分子標記分析，豌豆抗白粉病基因er1被定位到第6連鎖群，er2基因被定位到第3連鎖群[28-29]。王仲怡等[30]對豌豆品系攜帶的白粉病抗病隱性基因er1-2進行了遺傳定位，SSR標記將基因定位到豌豆VI連鎖群的er1座位區(qū)段。VAZ等[31]利用7個雜交F2群體，通過形態(tài)和RAPD標記等構建了包括13個連鎖群的蠶豆遺傳圖譜，并定位了與蠶豆粒質量相關的7個QTL位點，其中，位于第6染色體上的位點解釋了30%的表異。

4 分子標記輔助育種

種質資源鑒定、遺傳圖譜構建和基因定位工作的最終目標是為豆科藥食兼用植物育種提供優(yōu)良種質資源，最終培育優(yōu)質品種。我國豆科藥食兼用植物育種工作總體比較滯后，主要采用引種、農(nóng)家種提純復壯、有性雜交等常規(guī)的傳統(tǒng)育種技術。隨著輻射誘變和分子標記輔助選擇技術的發(fā)展，它們已逐漸應用于豆科藥食兼用植物育種中。80余份抗豆象、銹病、葉斑病和白粉病等豆科新種質已通過雜交和分子標記輔助選擇獲得[32]。中國蠶豆抗病育種和分子標記輔助育種剛剛起步，短期內(nèi)不太可能育成兼有優(yōu)質和抗病的蠶豆品種。雖然一些豆科藥食兼用植物特定性狀的QTL定位已經(jīng)公布，但其結果的準確性和穩(wěn)定性還需進一步研究才能確定，而且標記在染色體上的遺傳距離較遠，需要設計開發(fā)更多標記，加密遺傳圖譜。當前應用于豆科植物的分子標記普遍存在的問題為重復性較差、操作繁瑣和成本較高。因此，依托測序數(shù)據(jù)挖掘覆蓋度高、成本低和操作性強的多種分子標記，為開展豆科藥食兼用植物分子標記輔助育種提供依據(jù)。

5 展望

目前，分子標記技術對豆科藥食兼用植物的研究主要集中在抗病蟲害等數(shù)量性狀方面，在其藥用活性成分分析、調(diào)控有效成分合成的遺傳機制和活性成分基因構成等方面卻鮮有報道。因此，需要加強豆科藥食兼用植物分子標記技術的開發(fā)，增加分子標記在藥用活性成分方面的研究，明確調(diào)控藥用活性成分的基因構成，從而合理開發(fā)和利用我國豐富的藥食兼用植物種質資源。

我國是大多數(shù)豆科藥食兼用植物的發(fā)源地之一，發(fā)掘和利用野生近緣種屬中的有利基因，同時，開發(fā)多種類型分子標記，對原有遺傳圖譜進行加密，是當前豆科植物育種研究的重點工作。一般常用的標記為RAPD，ISSR，SRAP和SSR等單一的分子標記，尤其是黃芪屬物種，常用的僅有SSR和ISSR標記。近年來，隨著高通量測序技術的快速發(fā)展，利用測序結果可以大規(guī)模挖掘基因組特異分子標記，因此，越來越多的物種已經(jīng)應用測序技術開展了分子標記開發(fā)和分子機理方面的研究[33-35]。今后的工作應著重深度挖掘基因組特異分子標記，明確豆科藥食兼用植物活性成分的基因組成和調(diào)控機制，提高豆科藥食兼用植物育種選擇的準確性，從而縮短育種時間。

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