大豆育種進(jìn)展與前景展望

趙 琳，宋 亮，詹生華，駱樂談

（杭州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，杭州 310024）

大豆（Glycine max（L.）Merr.）起源于中國(guó)，是重要的植物蛋白質(zhì)和食用油脂來源。1923年以來，中國(guó)已培育出1000余個(gè)大豆品種，然而從1995年起中國(guó)開始進(jìn)口大豆，且很大一部分為轉(zhuǎn)基因大豆，并呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，到2006年已占國(guó)內(nèi)大豆市場(chǎng)的三分之二。中國(guó)每年都有自主選育品種，但仍需大量進(jìn)口轉(zhuǎn)基因大豆，主要原因是我國(guó)大豆品種產(chǎn)量低，單產(chǎn)水平不僅低于世界平均水平，更遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界前三位的大豆主產(chǎn)國(guó)；其次是我國(guó)大豆品種的含油量普遍比進(jìn)口大豆低，加工相對(duì)效益也較低，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

目前由于中國(guó)的耕地有限且呈不斷減少的趨勢(shì)，僅依靠種植面積的擴(kuò)大來增加產(chǎn)量的可能性很小，故只有在提高單產(chǎn)水平上努力。傳統(tǒng)育種方法有著自身的優(yōu)點(diǎn)，但同樣存在著選擇效率低和育種周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。隨著基因組測(cè)序的全面完成，在分子水平上對(duì)大豆進(jìn)行遺傳操作的育種時(shí)代已經(jīng)到來。

文章旨在初步總結(jié)大豆育種的不同方法及優(yōu)缺點(diǎn)；育種進(jìn)展與存在問題，并分析今后大豆育種的方向，目的是明確中國(guó)與國(guó)外在大豆育種相關(guān)研究領(lǐng)域存在的差距，為今后我國(guó)大豆育種研究的發(fā)展提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外大豆生產(chǎn)現(xiàn)狀

中國(guó)是大豆的原產(chǎn)國(guó)，各國(guó)栽種的大豆都是直接或間接從中國(guó)傳出的，中國(guó)大豆的產(chǎn)量和出口量在50年代以前一直居世界首位，當(dāng)前已退居第四位。中國(guó)大豆種植面積在1957年曾達(dá)到1275萬hm2，1995—1998年減少到800多萬hm2，1999年減少到796萬hm2，中國(guó)大豆產(chǎn)業(yè)近年來始終徘徊不前[1]。我國(guó)大豆消費(fèi)量不斷提高，每年約為4300萬t左右，但國(guó)產(chǎn)大豆僅為1500～1700萬t[2]，近期更是受比較效益的影響，我國(guó)大豆種植意愿繼續(xù)下滑。目前世界大豆生產(chǎn)主要集中在美國(guó)、巴西、阿根廷、中國(guó)和印度這五個(gè)國(guó)家。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，中國(guó)大豆產(chǎn)量增長(zhǎng)幅度略高于世界平均水平，但與巴西和阿根廷相比，仍有一定的差距，尤其是大豆單產(chǎn)絕對(duì)產(chǎn)量與世界平均水平相比還有較大差距，更遠(yuǎn)低于美國(guó)、巴西、阿根廷等大豆主產(chǎn)國(guó)產(chǎn)量水平[3]。

2 大豆育種的方法及優(yōu)缺點(diǎn)

大豆育種的重要目標(biāo)是高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，目前國(guó)內(nèi)外主要通過系統(tǒng)選育、雜交育種、輻射育種、化學(xué)誘變育種、分子育種等方法來進(jìn)行大豆育種[4-5]。20世紀(jì)90年代中期以前，大豆育種基本采用傳統(tǒng)育種手段，而90年代后期以來，分子育種和其他育種方法越來越廣泛地用于大豆品質(zhì)改良[6]。

2.1 大豆常規(guī)育種

大豆育種所采用的各種不同育種途徑中，88.16%以上的品種是雜交育種育成的[7]。大豆本身是閉花授粉植物，具有自然雜交率低，易保持種性，地區(qū)間引種不易成功等特性，故目前常規(guī)育種試驗(yàn)技術(shù)仍然是大豆育種的主要方式。張桂茹研究表明，大豆雜交成活率高低除與一些外界環(huán)境條件及親本材料有關(guān)外，雜交技術(shù)同樣起重要作用[8]。

對(duì)自花授粉作物而言，常規(guī)雜交育種手段能有效的實(shí)現(xiàn)近期目標(biāo)，然而對(duì)日益多樣化和高標(biāo)準(zhǔn)的育種目標(biāo)而言，常規(guī)雜交育種顯得力所不及。因其受成活率的限制，工作量大、費(fèi)工費(fèi)時(shí)，所能包含的親本有限，從而出現(xiàn)了遺傳基礎(chǔ)狹窄的問題，即使是采用成功率較高的整體去雄雜交技術(shù)來操作，在不熟練的情況下，也并非能達(dá)到70%的成功率。常規(guī)育種方法是應(yīng)用最廣泛的一種育種手段，但在提高大豆產(chǎn)量、改善品質(zhì)、增強(qiáng)抗性等方面具有選擇效率低和育種周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，因此迫切需要對(duì)大豆育種技術(shù)進(jìn)行升級(jí)換代。

2.2 三系配套選育

Owen報(bào)道了第一個(gè)大豆不育系[9]，后來證實(shí)其是由染色體聯(lián)會(huì)不正常引起的雄性和雌性不育系（Ms-Fs），基因符號(hào)定為St1。之后Hadley等，Palm?er等相繼又發(fā)現(xiàn)了該類新的不育系[10-11]，定名為St2、St3、St4和St5。1978年singh等報(bào)道了一個(gè)結(jié)構(gòu)性不育系[12]，其特點(diǎn)是花粉正常，但花藥不開裂，基因符號(hào)為ft；另一類結(jié)構(gòu)不育系被Johns等發(fā)現(xiàn)[13]，基因符號(hào)定為fs1fs2，以上這幾種不育類型均是由核基因控制，但僅憑表型來鑒定不育性也并非完全可靠，因?yàn)樵谏a(chǎn)中無法保證得到百分之百的不育株，故無法用于雜交種生產(chǎn)。美國(guó)的Davis報(bào)道了第一個(gè)大豆細(xì)胞質(zhì)核互作不育系（Cytsr1r1r2r2）[14]，但專利申請(qǐng)后并未有更深入的研究，他人重復(fù)了該試驗(yàn)并未成功。

國(guó)內(nèi)大豆不育系研究始于20世紀(jì)80年代初。余建章等在地理遠(yuǎn)緣雜交后代中發(fā)現(xiàn)了隱性核不育系沈農(nóng)L-78-387[15]，經(jīng)研究確定其與ms1等位，這是國(guó)內(nèi)學(xué)者發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行詳細(xì)研究的第一個(gè)隱性核不育系。趙團(tuán)結(jié)等篩選出17個(gè)不育新種質(zhì)[16]，經(jīng)鑒定均為核不育材料，共有6種不育類型，雄性完全不育-雌性可育（MS-FF）、雄性完全不育-雌性部分不育（MS-FPS）、雄性部分不育-雌性可育（MPS-FF）、雌雄完全不育（MS-FS）、雌雄部分不育（MPS-FPS）和雄性部分不育-雌性完全不育（MPS-FS）。截至目前，已育成育性穩(wěn)定的大豆細(xì)胞質(zhì)雄性不育系和保持系198對(duì)，優(yōu)良恢復(fù)系163個(gè)，并從中獲得了一批高異交率不育系[17]。

關(guān)于大豆雄性不育的基礎(chǔ)研究很多，已育成的不育系和恢復(fù)系也不少，但這些不育系間的遺傳模式與機(jī)制、恢復(fù)程度與育性穩(wěn)定性等都需進(jìn)一步深入研究，比如不育系之間的育性穩(wěn)定性差異較大，且易受環(huán)境影響，即使是不同組合F1的育性也有較大差異。今后通過生物技術(shù)手段研究雄性不育的遺傳機(jī)理，采用分子標(biāo)記對(duì)恢復(fù)基因進(jìn)行精細(xì)定位并克隆，將有助于提高大豆“三系”的選育效率。

2.3 分子育種

2.3.1 研究大豆遺傳多樣性 遺傳多樣性研究是指利用分子標(biāo)記技術(shù)來檢測(cè)基因組DNA組分表達(dá)的差異。在遺傳圖譜建立的條件下，對(duì)整個(gè)基因組進(jìn)行比較分析，可得到不同品種之間的差異信息。

2.3.2 構(gòu)建大豆遺傳圖譜 大豆基因組大小約為1.29×109～1.81×109bp，其中40%～60%為重復(fù)序列。Apuya利用60個(gè)F2群體構(gòu)建了第1張包含11個(gè)RFLP標(biāo)記[18]，由4個(gè)連鎖群構(gòu)成的大豆遺傳連鎖圖譜，隨后許多國(guó)外學(xué)者利用RFLP、RAPD、AFLP等標(biāo)記構(gòu)建了大豆遺傳圖譜。

早期的分子遺傳圖譜主要是以RFLP為主，但大豆中RFLP缺乏多態(tài)性，又或者是利用RFLP探針檢測(cè)親本基因組帶型較復(fù)雜，因此發(fā)展了簡(jiǎn)單重復(fù)序列（SSR）標(biāo)記來構(gòu)建圖譜。Cregan對(duì)大豆遺傳圖譜的繪制具有里程碑作用[19]，利用3個(gè)不同的群體分別構(gòu)建遺傳圖譜，在3個(gè)連鎖圖譜中出現(xiàn)相同定位結(jié)果的標(biāo)記有1423個(gè)，其中包括606個(gè)SSR標(biāo)記，689個(gè)RFLP標(biāo)記，79個(gè)RAPD標(biāo)記，11個(gè)AFLP標(biāo)記，10個(gè)同功酶標(biāo)記，26個(gè)經(jīng)典座位。Song等利用5個(gè)群體對(duì)大豆整合遺傳圖譜進(jìn)行加密[20]，補(bǔ)加了420個(gè)新的SSR標(biāo)記，使標(biāo)記間的平均距離縮短為2.5cM，標(biāo)記總數(shù)達(dá)1849個(gè)。之后Song等開發(fā)了眾多的SSR標(biāo)記[21]，將原有的遺傳圖譜進(jìn)行了更進(jìn)一步的加密，這是迄今為止標(biāo)記數(shù)最多的、密度最高的一張大豆“公共圖譜”。

2.3.3 大豆農(nóng)藝性狀QTL定位 大豆中株高、主莖節(jié)數(shù)和千粒重等是與產(chǎn)量密切相關(guān)的重要農(nóng)藝性狀，蛋白質(zhì)和脂肪含量是大豆的重要品質(zhì)性狀，這些性狀為微效多基因控制的數(shù)量性狀，用QTL對(duì)這些性狀進(jìn)行定位，可培育出優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、多抗的大豆新品種。目前，利用分子標(biāo)記圖譜已定位了許多與大豆脂肪含量、蛋白質(zhì)含量和產(chǎn)量有關(guān)的QTL。Orf等發(fā)現(xiàn)A1、C1、C2、L等連鎖群上存在與脂肪含量有關(guān)的QTL，A1、C1、L、M連鎖群上存在與蛋白質(zhì)含量相關(guān)的QTL[22]。Main等發(fā)現(xiàn)與葉片性狀相關(guān)的QTL位點(diǎn)分別位于B1、C2、L1、L2、K2和H1上，其中在B1、L1連鎖群上與位點(diǎn)Blt043H和Ev2E-1緊密連鎖的QTL中，PI416937的貢獻(xiàn)率為26%[23]。

隨著試驗(yàn)技術(shù)手段的進(jìn)步和功能基因組學(xué)的發(fā)展，研究已轉(zhuǎn)向基于基因組功能區(qū)段的新型分子標(biāo)記以及QTL的精細(xì)定位。大豆分子育種將使以表型選擇為主的傳統(tǒng)育種，轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)基因型的直接、準(zhǔn)確、高效選擇，從而實(shí)現(xiàn)育種效率的提高。

3 大豆育種發(fā)展方向及前景展望

縱觀國(guó)內(nèi)外大豆育種的發(fā)展方向與趨勢(shì)，未來大豆育種將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展。

（1）具有更廣的適應(yīng)性。

（2）出現(xiàn)不同類型的品種適應(yīng)不同的輪作復(fù)種制度，以增加復(fù)種指數(shù)。

（3）對(duì)產(chǎn)量的突破將成為今后的重中之重。

（4）大豆蛋白質(zhì)和油脂含量是大豆生產(chǎn)的實(shí)質(zhì)性部分。人類對(duì)品質(zhì)的追求將是無窮盡的，初級(jí)的目標(biāo)是高蛋白質(zhì)和高油脂含量，高一級(jí)的目標(biāo)是優(yōu)蛋白質(zhì)與優(yōu)油脂組分，更高一層次是消除或降低抗?fàn)I養(yǎng)因子。

（5）大豆抗病育種的研究。病蟲害與逆境是高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要限制因子，今后的育種將進(jìn)一步擴(kuò)展對(duì)多種病蟲及逆境的抗、耐性。

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