大豆單株莢數(shù)QTL定位及整合

楊玉花，白志元，張瑞軍，衛(wèi)一超，衛(wèi)保國

(1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)作物品種資源研究所，農(nóng)業(yè)部黃土高原作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，雜糧種質(zhì)資源發(fā)掘與遺傳改良山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030031；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與經(jīng)濟(jì)研究所，山西 太原 030006)

大豆單株莢數(shù)是影響大豆產(chǎn)量的一個(gè)重要農(nóng)藝性狀，同時(shí)也是育種中的一個(gè)重要指標(biāo)。在大豆產(chǎn)量構(gòu)成因素(百粒質(zhì)量、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)等)中，單株莢數(shù)與產(chǎn)量相關(guān)性較高[1]。同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)，單株莢數(shù)與百粒質(zhì)量、每莢粒數(shù)、主莖節(jié)數(shù)等重要性狀關(guān)聯(lián)度和相關(guān)系數(shù)較高[2]，單株莢粒數(shù)的提高對百粒質(zhì)量等農(nóng)藝性狀不會(huì)有較大的負(fù)面影響[3]，說明通過選育較高單株莢數(shù)的材料來提高大豆產(chǎn)量是可行的。因此，可以通過選擇較多單株莢數(shù)的材料進(jìn)行聚合育種，從而更有效地提高大豆產(chǎn)量。

單株莢數(shù)是一個(gè)非常復(fù)雜的性狀，它是由多因素調(diào)控的，其中最關(guān)鍵的3個(gè)過程分別為花芽分化數(shù)、胚珠成功受精比率和成功受精后的胚胎正常發(fā)育為莢果的比率[4]?；ㄑ康姆只桶l(fā)育決定子房胚珠數(shù)和可育胚珠比率。成功受精胚珠比率是由受精過程所決定的，其中包括花粉育性、花粉與柱頭的接觸量、花粉粒的萌發(fā)、受精條件以及花粉管的導(dǎo)入等過程。受精后的胚珠最終是否能發(fā)育為種子由結(jié)合子發(fā)育過程決定。然而其中任何一個(gè)生物學(xué)過程都是相當(dāng)復(fù)雜的，因此,將通過研究每一個(gè)過程的分子機(jī)理和功能，才能最終將單株莢數(shù)這個(gè)復(fù)雜的性狀解析開來。

單株莢數(shù)是一個(gè)典型的數(shù)量性狀，受多基因控制，同時(shí)也易受環(huán)境的影響。目前，就國內(nèi)外已有的關(guān)于大豆莢數(shù)QTL定位研究的報(bào)道可知[5-16]，定位了約50多個(gè)QTLs位點(diǎn)，這些位點(diǎn)幾乎分布于大豆20條染色體上(除B2和H)；解釋表型變異平均值為13.4%，約有69%的QTLs解釋表型變異在20%之下，主效莢數(shù)QTL也較少。

本研究利用多莢材料C025和少莢材料JD18為親本，然后利用雙親構(gòu)建的F2群體定位大豆單株莢數(shù)QTL，通過定位的大豆莢數(shù)QTL，闡明大豆單株莢數(shù)的分子機(jī)制；同時(shí)整合前人對大豆莢數(shù)定位的QTL，解析大豆單株莢數(shù)QTL在全基因組的分布以及聯(lián)系，旨在為選育大豆較高單株莢數(shù)提供材料基礎(chǔ)并為后續(xù)研究大豆單株莢數(shù)分子機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究使用的親本材料C025(多莢)和JD18(少莢)來源于山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所，雙親雜交得到182個(gè)單株F2群體。2016年5-10月在太原山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東陽基地完成雜交試驗(yàn)得到F1雜交種，2017年5-10月和2018年5-10月(太原2017年、太原2018年)連續(xù)2 a在太原山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東陽基地完成親本和F2群體田間種植和表型鑒定。

1.2 試驗(yàn)方法

田間試驗(yàn)按照完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)2行，行距(株距為50.0 cm×13.5 cm。大豆成熟時(shí)，每個(gè)小區(qū)選擇10個(gè)代表單株人工統(tǒng)計(jì)莢數(shù)。具體調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)參照《中國大豆品種志》[17]進(jìn)行。

1.3 QTL定位分析

利用在公共數(shù)據(jù)庫中已發(fā)表的大豆遺傳連鎖圖譜(https://soybase.org/)，結(jié)合莢數(shù)表型鑒定進(jìn)行QTL定位。QTL掃描采用WinQTL Cartographer 2.5軟件(http://statgen.ncsu.edu/qtlcart/WQTLCart.htm)中的復(fù)合區(qū)間作圖法[18]。LOD閾值顯著性采用1 000次排布測驗(yàn)分析[19]，基本參數(shù)步長、窗口大小、掃描間距和運(yùn)行速度分別設(shè)置為1，10，5，1 cM，P=0.05顯著水平檢測并確認(rèn)QTL。采用QTL-元分析方法整合前人研究的不同環(huán)境不同群體檢測的大豆莢數(shù)QTL[20]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SAS V8軟件中的PROC ANOVA程序?qū)Σ煌h(huán)境單株莢數(shù)表型進(jìn)行方差分析，從而估算遺傳力。群體單株莢數(shù)頻率分布和親本間單株莢數(shù)的顯著性分析采用Excel中的函數(shù)進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 父母本及F2群體單株莢數(shù)表型變異和遺傳力分析

親本C025和JD18在2個(gè)不同環(huán)境中的單株莢數(shù)均表現(xiàn)出極顯著差異(P<0.01)，C025單株總莢數(shù)明顯高于JD18，是JD18的近2倍，并且在2 a表型考察中較穩(wěn)定(表1)。F2分離群體單株莢數(shù)在不同環(huán)境中都表現(xiàn)出廣泛的變異(2～150)，并且有些株系有明顯的超親分離，表明控制大豆莢數(shù)的基因在2個(gè)親本中都存在。F2分離群體單株莢數(shù)在2個(gè)環(huán)境中都呈現(xiàn)近似正態(tài)分布，可以說明單株莢數(shù)符合數(shù)量性狀特征，適合利用QTL定位分析(圖1)。通過方差分析評估大豆莢數(shù)的遺傳力為65%，說明大豆莢數(shù)遺傳力較大，有利于進(jìn)行后期的遺傳改良。

表1 雙親和F2群體在2個(gè)不同環(huán)境下單株莢數(shù)表型分析Tab.1 Phenotypic variation of pod number per plant for parents and F2 population in two investigated environments

實(shí)心箭頭是JD18；虛線箭頭是C025。 Solid arrows JD18; Dashed arrows C025.

2.2 大豆單株莢數(shù)QTL定位分析

利用1張包括1 015個(gè)SSR標(biāo)記的大豆遺傳圖譜(https://soybase.org/)，其覆蓋大豆基因組2 282.92 cM，長度為 71.31～165.73 cM，相鄰標(biāo)記間的平均距離為2.44 cM，這些SSR標(biāo)記在 20 條染色體上分布較均勻。利用軟件WinQTL Cartographer 2.5對2個(gè)環(huán)境的單株莢數(shù)分別進(jìn)行全基因組QTL掃描，結(jié)果顯示，單環(huán)境下共檢測出33個(gè)QTLs，分別位于D1a、N、C1、C2、M、A2、K、O、B1、F、B2、E、J、D2、G、L和I 共17個(gè)染色體上，LOD值在2.8～15.1，貢獻(xiàn)率在0.2%～56.4%，平均值為14.9%。經(jīng)過元分析整合后，共定位23個(gè)QTLs，分別位于D1a、N、C1、C2、M、A2、K、O、B1、F、B2、E、J、D2、G、L和I 共17個(gè)染色體(表2)。其中，有10個(gè)QTLs在2個(gè)環(huán)境中被重復(fù)檢測到，分別定位于A2、D2、C2、I、B1、C1和J染色體上，LOD值在2.8～15.1，平均值為9.4，解釋的平均表型變異0.2%～56.4%，平均值為25.2%，其中有6個(gè)QTLs的貢獻(xiàn)率高于20%。qPN.C2-4、qPN.C1、qPN.J、qPN.D2-1和qPN.A2-1的貢獻(xiàn)率分別為29.5%，35.4%，38.9%，53.9%和56.4%，均高于前人定位的大豆莢數(shù)QTLs。通過比較發(fā)現(xiàn)，qPN.C2-4和qPN.C1的置信區(qū)間與前人的研究重疊，并且本研究的效應(yīng)值高于前人，同時(shí)QTL-qPN.A2-1的貢獻(xiàn)率為56.4%，是目前檢測到的效應(yīng)值最大的控制大豆單株莢數(shù)的QTL。因此，這3個(gè)QTLs可看作控制大豆單株莢數(shù)的主效QTL，并對其進(jìn)一步深入解析。

表2 多環(huán)境檢測到的大豆單株莢數(shù)QTLsTab.2 Detected QTLs for pod number per plant of soybean from different environment

2.3 大豆莢數(shù)QTL整合分析

通過查閱已報(bào)道的與大豆莢數(shù)定位相關(guān)的文獻(xiàn)，結(jié)果顯示，共定位了51個(gè)QTLs，在大豆18個(gè)染色體上均有分布(在B2和H中沒有檢測到莢數(shù)QTL)，其中，在C2染色體上并且在一個(gè)區(qū)段內(nèi)分布較為集中。經(jīng)過元分析整合前人定位的大豆莢數(shù)QTLs，最終確定39個(gè)QTLs，LOD值為2.80～6.83，貢獻(xiàn)率為6.54%～27.01%，平均值為13.4%(表3)，約有69%的QTLs的貢獻(xiàn)率在20%之下，約有5個(gè)QTLs可看作主效QTLs。整合的39個(gè)QTLs，其中有6個(gè)重復(fù)檢測到的QTLs被整合，分別分布在B1、C1、C2、D1a和L染色體上。

與前人研究的結(jié)果相比，本研究新定位了18個(gè)大豆單株莢數(shù)QTLs，并且首次在B2染色體上定位了1個(gè)控制大豆單株莢數(shù)的QTL(qPN.B2)，充分補(bǔ)充了大豆單株莢數(shù)分子機(jī)制研究。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，本研究定位的23個(gè)QTLs中有5個(gè)QTLs與前人的研究重疊，分別為qPN.C2-3、qPN.I、qPN.C2-4、qPN.C1和qPN.L，其中，qPN.C2-4和qPN.C1是本研究發(fā)現(xiàn)的主效QTL，說明qPN.C2-4和qPN.C1是可多環(huán)境多材料重復(fù)檢測的大豆單株莢數(shù)主效QTLs，這可為后續(xù)大豆單株莢數(shù)分子研究奠定基礎(chǔ)。

表3 整合不同研究中檢測到的大豆莢數(shù)QTLsTab.3 Pod number QTLs of soybean in different studies

表3(續(xù))

3 結(jié)論與討論

由于前人對大豆莢數(shù)QTL定位研究所用的遺傳圖譜和標(biāo)記不一致，以至于目前還未得到一個(gè)完整的大豆莢數(shù)分子遺傳圖譜。本研究基于已有研究的大豆遺傳圖譜，將大豆莢數(shù)QTL整合在同一張遺傳圖譜上。這些QTLs幾乎分布于大豆20條染色體上(除H)，其絕大部分的貢獻(xiàn)率在20%以下，只有幾個(gè)達(dá)到20%以上[7]，這幾個(gè)QTLs可為后續(xù)大豆單株莢數(shù)QTL精細(xì)定位和基因克隆奠定基礎(chǔ)。

本研究共定位了23個(gè)大豆單株莢數(shù)QTLs，其中有5個(gè)與已報(bào)道的QTL重疊，另外18個(gè)代表新的大豆單株莢數(shù)QTL定位，填補(bǔ)了在B2染色體上沒有檢測到大豆單株莢數(shù)QTL的空白(本研究定位了qPN.B2)。qPN.C2-4和qPN.C1雖然與前人研究重疊[5, 7]，但是本研究的主效QTL貢獻(xiàn)率高于前人報(bào)道，說明QTL-qPN.C2-4和QTL-qPN.C1是控制大豆單株莢數(shù)的主效QTLs位點(diǎn)，可被不同材料和不同環(huán)境重復(fù)檢測，可作為后續(xù)精細(xì)定位和基因克隆的首選QTLs。同時(shí)本研究多環(huán)境檢測到qPN.A2-1的貢獻(xiàn)率為56.4%，是目前檢測到的效應(yīng)值最大的QTL，并且與前人研究沒有重疊。因此可以看作是一個(gè)新的控制大豆單株莢數(shù)的QTL。

整合前人對大豆單株莢數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，目前僅處于一個(gè)初步研究階段，還未闡明大豆單株莢數(shù)分子機(jī)理。Wang等[21]在大豆中克隆GmCYP78A10基因，通過分析發(fā)現(xiàn)，GmCYP78A10基因的表達(dá)影響大豆單株莢數(shù)。目前，還未有其他有關(guān)基因在大豆中報(bào)道，這可能與大豆單株莢數(shù)性狀復(fù)雜并且受環(huán)境條件影響較大難以精準(zhǔn)鑒定有關(guān)。

總之，本研究定位的3個(gè)主效QTLs貢獻(xiàn)率均較大，完全具備進(jìn)一步精細(xì)定位和基因克隆的基礎(chǔ)，從而可為大豆單株莢數(shù)遺傳改良打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)服務(wù)。