大豆種質資源遺傳多樣性分析

李 敏 關博文 楊 學 陳慶山 張 睿 武小霞 金 慧 吳玉娥

（1.黑龍江省農業(yè)科學院 哈爾濱150086；2.東北農業(yè)大學農學院 黑龍江哈爾濱150030）

生物多樣性是指地球上所有生物物種及其生存環(huán)境和遺傳基因所構成的生態(tài)環(huán)境。 遺傳多樣性是生物多樣性的重要組成部分， 是由所有遺傳信息共同組成的。 遺傳多樣性的研究對于新基因的發(fā)現(xiàn)、大豆種質資源利用與進化的闡述、 新種質的研發(fā)及材料的改良具有重要意義[1]。

大豆作為優(yōu)質蛋白深受人們喜愛， 在我國經濟生活中發(fā)揮著重要的作用[2]。 近年來，我國對大豆的需求在不斷增加， 而目前國內大豆生產難以滿足人們的需求，還需要依賴進口大豆。

我國大豆種質資源豐富，在不斷演化的過程中，不同的地理環(huán)境形成了具有不同特性的大豆品種。種質資源具有許多優(yōu)良的農藝性狀和品質性狀，分析和掌握現(xiàn)有種質資源遺傳多樣性， 對合理利用種質資源進行品種改良和育種具有重要意義。

自從1994 年以來， 我國大豆進口趨勢不斷上升，至2020 年以來略有波動。2020 年，中國大豆進口量預計創(chuàng)下新紀錄， 達到 10 032 萬 t， 同比增長13.3%。 我國大豆產量雖然也在逐年增加，但遠遠無法滿足國民需求， 到目前為止我國大豆的主要來源仍靠進口。 2020 年受疫情影響，大豆的供應量下降，進口大豆的價格也因此增長，反映出我國大豆產量不足問題的嚴重性。

我國曾是大豆的出口國，但現(xiàn)如今卻成為了大豆進口國， 我們需要加大對種質資源遺傳多樣性的分析，加大研發(fā)力度，培育出優(yōu)良大豆品種，提高農民的種植積極性，改善目前大豆靠進口的狀況。

1 大豆種質資源遺傳多樣性分析的目的與意義

大豆是我國重要的糧油作物，但到目前為止，中國大豆的主要來源仍是進口，自產大豆產量低，品質上與進口大豆也存在差距[3]。 目前，制約大豆生產的因素很多，但最主要的是高產優(yōu)質品種的缺乏。

作物遺傳的多樣性為作物改良提供基礎， 目前想要培育新品種不僅需要傳統(tǒng)的育種方法， 還需要利用新技術， 充分發(fā)揮種質資源的潛能。 在農業(yè)發(fā)展的進程中， 新品種的研發(fā)離不開對種質資源的開發(fā)與利用， 而種質資源開發(fā)與利用的重要一步是對大豆種質資源遺傳多樣性的研究， 選擇具有豐富多樣性的品種培育出優(yōu)良新品種。

目前，我國大豆生產中仍存在許多不足，主要是品質較差，經濟效益難以滿足農民需求。 促進大豆生產的關鍵是培育優(yōu)良品種， 大豆種質資源遺傳多樣性的分析是培育新品種的關鍵。 因此，科學評價種質材料遺傳多樣性的真實表現(xiàn)， 對大豆品種的改良具有重要的現(xiàn)實意義。

2 大豆種質資源遺傳多樣性的研究方法

近年來，隨著生物學的發(fā)展與進步，大豆種質資源遺傳多樣性的研究方法已經不僅僅局限于形態(tài)水平上，還開展了分子水平上的研究，有的研究綜合利用表型性狀和分子水平進行。

2.1 大豆種質資源遺傳多樣性在形態(tài)水平上的研究

形態(tài)標記是最早使用的遺傳標記方式， 具有簡單、快速、方便等特點。 長期以來，它是農作物種質資源鑒定和育種材料的共同選擇[4]。

前人對大豆的表型性狀進行了相關研究。 孫曉環(huán)等[5]通過調查黑龍江省70 份野生大豆種質資源生態(tài)性狀發(fā)現(xiàn)，黑龍江省野生大豆的單株粒重、株高、莢數(shù)等性狀變異系數(shù)較大。 分析得出，野生大豆可以用做培育優(yōu)良品種的材料。 李艷花等[6]在重慶采集了103 個大豆地方品種，并分析其表型遺傳多樣性。 采用主成分分析和聚類分析等方法， 發(fā)現(xiàn)重慶大豆種質資源以灰毛、褐臍及黃粒為主。 分析發(fā)現(xiàn)，大豆地方品種生物多樣性豐富，且各品種間遺傳差異較大。楊春杰等[7]以貴州省150 個農戶和部分品種為材料，采用變異系數(shù)法、聚類分析法和多樣性指數(shù)法，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)大豆的多樣性不同， 同一性狀不同地區(qū)的多樣性也有很大差異。 張海平等[8]利用山西省100 份野生大豆，分析了9 個數(shù)量性狀和10 個質量性狀的遺傳多樣性分析， 發(fā)現(xiàn)山西省野生大豆具有大量變異類型及高度遺傳多樣性。Nurmansyah 等[9]利用12 個質量性狀進行遺傳多樣性分析，研究共發(fā)現(xiàn)36 個突變型，確定株型、白色花、白色種臍、黑色種皮是未來世代的理想性狀， 揭示了伽瑪輻射和DES 對提高蠶豆遺傳多樣性的作用，并證明了誘變的成功程序。

形態(tài)標記雖然簡單、快速、易于觀察，但隨著時代的發(fā)展和科學技術的進步， 形態(tài)標記的缺點也逐漸顯現(xiàn)出來。 例如，形態(tài)學水平的研究容易受到環(huán)境因素的影響產生誤差。

2.2 大豆種植資源遺傳多樣性在分子水平上的研究

2.2.1 SSR（Simple Sequence Repeat）標記分析 SSR標記具有操作技術簡單、所需DNA 少、等位基因變異豐富、信息量大、共顯性等特點。 它是家系分析、群體遺傳學研究、DNA 指紋鑒定和分子標記輔助育種的理想工具[10]，且不受環(huán)境的影響，是研究遺傳多樣性的重要方式[11]。

Li Y H 等[12]為了闡明我國大豆地方品種群體結構的層次結構， 利用SSR 標記對1 504 個大豆地方品種進行了聚類分析。 結果表明，各子群間遺傳多樣性分布格局不均勻，2 個HSuM 子群 （華中） 和部分（華南）子群的遺傳多樣性顯著高于其他子群。Zhao X等[13]基于大豆EST 冗余數(shù)據(jù)，建立了一種高效開發(fā)EST- SSR 的改進方法。該方法通過SSR 基序對ESTs進行分類， 并檢測出冗余序列的候選位點來實現(xiàn)其功能。本研究共開發(fā)了80 個大豆EST-SSR 多態(tài)性標記，其中50 個被利用，證明了該方法具有較高的速度和效率。 該方法不僅適用于大豆EST- SSR 的開發(fā)，而且在有冗余EST 數(shù)據(jù)的情況下，也可用于其他物種的標記開發(fā)。李清等[14]從廣東省19 個市的37 個縣市收集到96 份大豆種質資源，提取基因組DNA 后，用30 對SSR 引物進行擴增，對相關多態(tài)性進行測序分析。 DNA 分子識別卡的構建為廣東省大豆種質資源的鑒定提供了重要依據(jù)。 Raoni G 等[15]使用35 個SSR 標記分析了77 個大豆基因型的遺傳多樣性，結果說明了在巴西大豆基因庫中發(fā)現(xiàn)和整合新的大豆遺傳資源的重要性。 魏崍等[1]利用11 對SSR 引物對中國、 美國和俄羅斯等國家的166 份栽培大豆進行分析。 通過聚類分析發(fā)現(xiàn)，中俄大豆的相似性較高，親緣關系密切。 中美大豆品種間的遺傳差異較大，可以進行種質資源的交流。

2.2.2 RAPD （Random Amplified Polymorphism DNA） 標記分析 RAPD 技術沒有任何預先的序列信息，提供了一種靈敏、快速的方法，便于對大量的基因型進行鑒定[16]。目前RAPD 技術已在大豆遺傳多樣性的研究上被廣泛應用。

劉萌娟等[17]利用42對RAPD 引物對陜西省75份大豆進行遺傳多樣性分析。 發(fā)現(xiàn)陜西大豆資源具有豐富的遺傳多樣性，北秦嶺的遺傳多樣性較高，南秦嶺的遺傳多樣性差異較大， 說明RAPD 分子標記聚類分析能較好地區(qū)分品種的地理起源。王敏等[16]利用RAPD 標記對40 份大豆材料進行了DNA 分子水平上的遺傳多樣性分析。 野生大豆的特異等位基因數(shù)遠高于2 個品種的總和。劉萌娟等[18]采用3 次重復隨機區(qū)組設計， 研究了陜西省大豆種質資源的生態(tài)類型、 遺傳多樣性和進化趨勢。 用RAPD 隨機引物對75 個品種的DNA 進行了提取和擴增，擴增片段進行聚類分析，發(fā)現(xiàn)陜西省大豆遺傳變異豐富，具有較大的遺傳變異和選擇潛力。

2.3 多種方法結合對大豆種植資源遺傳多樣性的研究

分子生物學技術正蓬勃發(fā)展， 在大豆種質資源遺傳多樣性研究過程中， 形態(tài)層次與分子層次的結合將使研究結果更加準確。

Ramavtar 等[19]利用 RAPD 和蛋白質標記對 8 個大豆品種的遺傳多樣性進行了分析。 利用RAPD 和SDS-PAGE 分析大豆基因型的遺傳多樣性。 本研究利用RAPD 技術建立了大豆的指紋圖譜， 證明了這些標記在評價遺傳變異方面的有效性。 P Tantasawat等[20]利用SSR、ISSR 和形態(tài)學特征標記對泰國23 份豇豆和7 份豇豆與矮豇豆雜交種的親緣關系及遺傳多樣性進行了研究。 此外，還將其作為外群種進行分子分析。 SSR 和ISSR 的遺傳相似性系數(shù)分別為0.87和0.91，表明遺傳基礎狹窄，需要擴大遺傳多樣性以確保其繼續(xù)育種的成功。 李明松等[4]利用表型和SSR標記分析了福建省23 個春大豆地方品種的遺傳多樣性。 聚類分析將23 個春大豆地方品種分為3 個類群，結果在一定程度上反映了材料的地理分布，說明地理因素對品種有一定的影響。 通過分子標記和表型分析相結合，能夠更好地評價大豆遺傳多樣性，充分保護和利用大豆種質資源。

3 大豆種質資源遺傳多樣性的研究方向

3.1 抗旱耐鹽性

作物抗旱性是指作物在干旱條件下承受或抵御水分脅迫， 使自身生長發(fā)育和繁殖受到最小抑制的能力。 近年來地球環(huán)境不斷惡化，全球氣候也發(fā)生了很大的變化，土地干旱的程度不斷加劇，干旱時間也不斷增長，嚴重影響作物的生長，育種過程中培育大豆的抗旱性，可以使大豆在干旱環(huán)境下正常生長。

鹽漬土是我國土地資源的重要組成部分， 約占1 億hm2。鹽漬土壤會使植物生長纖弱，并且滯育。查閱大量資料得知， 想要避免這種狀況出現(xiàn)的最有效辦法是培育耐鹽性品種。 為使大豆在不良環(huán)境下也能正常生長， 需加大對抗旱耐鹽性的大豆種質資源的研究。

3.2 抗倒伏

倒伏是指作物從直立狀態(tài)轉變?yōu)槌善瑑A斜， 嚴重情況下會導致全株倒在地面， 倒伏會導致作物減產、 不易收獲， 在作物生產中普遍存在。 一般認為大豆的倒伏性與株高、 莖稈強度和莖粗等性狀密切相關。

正如2020 年東三省經歷了數(shù)場臺風，導致大量作物倒伏，嚴重影響了當年的產量。 在田間考察時發(fā)現(xiàn)部分抗倒伏品種產量并未受到此次臺風的影響，由此說明了選育抗倒伏品種的重要性。

3.3 抗病性

大豆花葉病和灰斑病等病害的出現(xiàn)嚴重導致大豆減產，在全球大豆種植區(qū)域均會產生影響，常年產生損失在5%左右， 嚴重情況下甚至會達到50%，并且有些病害無有效防治藥劑， 防治該病最有效的方法是培育抗病品種。 想要培育出抗病品種，需要充分利用抗病種質資源， 從而以最經濟有效的方式保證大豆的產量。

野生大豆品種具有較強的抗病性， 擁有許多優(yōu)良性狀。 前人研究表明，可能由于黑龍江省北部氣候環(huán)境等原因，黑龍江含有豐富的抗病種質資源，可為抗病品種的培育提供充足的種質資源[21]。

3.4 高產性

大豆為人類提供了豐富的營養(yǎng)， 是生活中不可缺少的作物。 但我國大豆品種產量不足，自給率不足30%，據(jù)調查，具體原因是大豆畝產量不高， 并且農戶收益不好， 使農民沒有種植大豆的積極性。 在培育新品種的過程中， 需要考慮市場導向， 培育具有一定效益的大豆品種， 提高農戶種植的積極性。 為此需要通過開發(fā)與利用種質資源， 培育出高產優(yōu)質大豆新品種。

4 不同大豆品種特點

4.1 引進大豆品種

農作物引種，是指為開展農業(yè)生產、農作物育種或者種質資源研究，從其他地方引進農作物種子、種苗等種質材料的技術。 在引種過程中，要保證產地和引種地的生態(tài)環(huán)境相似。 引種的成功與否取決于作物本身的生長習性及新舊環(huán)境的差異。 大豆地方品種、野生品種及國外品種都有著相應的特性，可以利用不同特性培育優(yōu)良大豆品種。

4.2 大豆地方品種

大豆地方品種是經過長期人工選擇和自然環(huán)境共同作用的結果。 我國地大物博， 地理氣候環(huán)境多樣， 形成了適宜多種環(huán)境的大豆品種。 地方大豆品種具有較強的適應性、 抗病、 抗逆性強、 產量穩(wěn)定。 地方品種數(shù)量眾多， 為選育優(yōu)良品種提供充足的基因源。

4.3 大豆野生品種

野生植物在自然生態(tài)系統(tǒng)中占有重要位置，為人類生活提供基本物資， 并發(fā)揮著國家戰(zhàn)略資源儲備的重要作用。 野生大豆蛋白質含量高，具有抗逆性強、多莢、多節(jié)、多枝等優(yōu)良特性，為培育優(yōu)良大豆品種提供豐富的種質資源[22]。但由于我國對于野生大豆的知識產權保護不足，在2000 年，美國的孟山都公司申請中國野生大豆的專利。 到目前為止，我國對于野生大豆知識產權的保護仍然不足， 這些情況需要引起重視[23]。需要保護并有效利用野生大豆的種質資源，這是培育優(yōu)良大豆品種的巨大財富。

4.4 國外大豆品種

大豆優(yōu)良品種的選育離不開優(yōu)良性狀親本的利用，從國外直接引進大豆新品種，有2 個優(yōu)點，一是國外不同的地理環(huán)境， 以及許多優(yōu)良特性是我國大豆品種所沒有的，提供其特有的種質資源，可以提高育成品種的生態(tài)適應性。 二是國外許多優(yōu)良大豆品種抗病性強、抗逆性強、產量高，這些特性對于我國培育優(yōu)良品種有著很大的幫助。 國外大豆品種雖有許多優(yōu)點， 但是需要注意的是國外品種往往不適應國內的氣候環(huán)境， 利用國外的種質資源時需要以當?shù)氐拇蠖蛊贩N作為親本進行雜交， 培育出具有國外大豆優(yōu)良性狀的大豆品種。

5 中國大豆種質資源遺傳多樣性研究存在的問題

我國雖然擁有豐富的大豆種質資源， 但是我國在育種方面起步較晚， 技術上也落后于很多國家。目前在大豆育種中還存在許多問題。 一方面是我國大豆育種的研究時間較短， 大豆新品種培育過程中想獲得穩(wěn)定性強、 遺傳性好的基因材料比較困難，需要加大對大豆種質資源遺傳多樣性的研究， 找出優(yōu)良的遺傳基因材料。 另一方面是我國擁有充足的大豆種質資源， 但是開發(fā)利用率很低， 沒有充分利用所擁有的資源。 同時， 我國缺乏系統(tǒng)的育種平臺， 即使有足夠的種質資源， 也會制約大豆基因在育種中的有效應用， 加大大豆種質資源遺傳多樣性研究非常重要。

6 大豆種質資源遺傳多樣性展望

大豆作為人們生活中的必須食物， 為人們提供了豐富的營養(yǎng)，但隨著不斷的種植，對品種的改良不足，目前導致許多大豆品種品質下降、產量降低，為此需要加大對種質資源的開發(fā)和利用， 研究大豆種質資源遺傳多樣性， 培育出高產優(yōu)質的大豆品種迫在眉睫。

遺傳物質的多樣性是隨著物種長期進化而來的，想要保護大豆品種的多樣性，最終要保護大豆遺傳物質的多樣性。 大豆起源于中國，有著悠久的種植歷史，我國擁有豐富的大豆遺傳物質，這對于培育優(yōu)良品種有著重要意義。

大豆遺傳物質是有限的，不能再生，豐富的大豆遺傳物質可以為大豆育種提供充分的保障， 但目前有許多大豆遺傳物質正在逐漸流失， 需要我們引起重視， 加大大豆品種的保護力度， 廣泛收集種質資源，整理出具有優(yōu)良性狀的種質資源，充分研發(fā)其遺傳物質的多樣性， 利用其培育出優(yōu)質大豆品種。 中國、日本和韓國等地是大豆馴化的發(fā)源地，如果有機會通過一些政策國家之間可以共享這些種質資源，分析其遺傳物質的多樣性， 可以為培育優(yōu)良大豆品種帶來巨大的好處。

我國大豆育種工作起步較晚， 這也表明在育種工作上有著很大的進步空間。 為此， 筆者認為應該加大對表型性狀和分子水平的綜合利用， 充分研究大豆遺傳多樣性， 找到遺傳差異較大的品種， 培育出具有優(yōu)良性狀的大豆品種， 早日實現(xiàn)我國大豆自給自足。