大豆常規(guī)育種與分子育種方法分析*

李江濤，郭海悅，于會勇

（濮陽市農(nóng)林科學(xué)院，河南 濮陽 457000）

大豆為糧油飼兼用作物，含有豐富營養(yǎng)物質(zhì)，是植物蛋白和脂肪的重要來源，也是我國進(jìn)口量最多的農(nóng)產(chǎn)品[1]。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國內(nèi)大豆需求量逐年增加，大豆供需矛盾突出。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2021 年我國大豆產(chǎn)量為1 640 萬t，大豆進(jìn)口量高達(dá)9 651.8 萬t[2]，約占世界大豆貿(mào)易量的75%[3]。目前，我國優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、多抗大豆品種短缺，因此為加強(qiáng)糧食自主可控，降低對進(jìn)口大豆依賴，選育具有優(yōu)良性狀的大豆品種，實(shí)施“擴(kuò)大豆，提產(chǎn)能”成為保障國家糧食安全的重要途徑。本文對大豆常規(guī)育種及分子育種方法進(jìn)行分析總結(jié)，以期為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)大豆選育提供理論指導(dǎo)。

1 大豆育種方法

大豆育種方法主要有引種、系統(tǒng)育種、雜交育種、輻射誘變育種、輪回選擇和分子育種等[4]。目前，國內(nèi)各地市級科研單位主要采用雜交育種，省級科研院所則采用雜交育種和分子育種。在育種年限上，常規(guī)育種條件下選育一個(gè)大豆新品種，從組合選配至出圃鑒定約為5 年；參加預(yù)試驗(yàn)、區(qū)域試驗(yàn)和生產(chǎn)試驗(yàn)約為5 年，因此選育一個(gè)大豆品種約需10 年。生產(chǎn)上，育種單位為縮短大豆育種年限，普遍采用南繁加代方式，即夏季在當(dāng)?shù)胤N植，冬季在海南種植，1 年收獲2 代材料。此外，還可選擇在當(dāng)?shù)販厥疫M(jìn)行加代，利用溫室調(diào)節(jié)光照、溫度等生長條件，滿足大豆生長，實(shí)現(xiàn)1年種植2 代甚至多代材料[5]。

1.1 常規(guī)育種

常規(guī)育種主要有自然變異選擇、雜交育種、回交育種、群體改良和輪回選擇。主要方法為篩選或引進(jìn)優(yōu)良基因材料，選擇優(yōu)良性狀材料進(jìn)行分析鑒定，篩選優(yōu)良品系參加試驗(yàn)。通過每年繁殖與鑒定選擇，篩選優(yōu)異變異材料。其通過加強(qiáng)田間管理、保持肥水條件一致等措施減少試驗(yàn)誤差。目前，常規(guī)育種是生產(chǎn)上應(yīng)用較為普遍和有效的育種方式之一，其以優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗病、抗逆為育種目標(biāo)，通過長達(dá)10 年的后代選擇，選育出符合育種目標(biāo)的大豆品種。

雜交育種是常規(guī)育種方法中應(yīng)用較為廣泛的育種技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近20 年經(jīng)國家農(nóng)作物品種審定委員會審定的141 個(gè)大豆品種中，131 個(gè)品種為雜交育種選育，占比為92.9%[4]。該技術(shù)以孟德爾遺傳定律和雜種優(yōu)勢理論為指導(dǎo)，根據(jù)育種目標(biāo)選擇合適親本，疊加雙親優(yōu)異性狀，后代產(chǎn)生基因重組，性狀分離，通過幾個(gè)世代材料選擇，選育出穩(wěn)定的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)大豆品種。雜交育種方法主要有系譜法和混合法，其主要區(qū)別為是否在早世代進(jìn)行單株選擇。其中系譜法在雜種第1 次分離世代時(shí)即按照育種目標(biāo)進(jìn)行后代單株選擇，而混合法在第4 代才開始進(jìn)行單株選擇。由于系譜法在早代易丟失優(yōu)良性狀，目前生產(chǎn)上主要采用混合選擇法，其可保留大量變異株系，利于選出優(yōu)良品系。

1.2 分子育種

分子育種主要方法有分子標(biāo)記輔助選擇、轉(zhuǎn)基因和分子設(shè)計(jì)育種等[6]。分子標(biāo)記輔助選擇主要是利用與目標(biāo)性狀基因緊密連鎖的分子標(biāo)記，通過檢測該分子標(biāo)記來確定目標(biāo)基因的存在，達(dá)到選擇目標(biāo)性狀目的。該方法是植物改良過程中的一種輔助選擇手段，其技術(shù)手段主要有分子雜交、PCR、DNA 芯片和電泳核型技術(shù)等[6]。分子設(shè)計(jì)育種是根據(jù)育種目標(biāo)，利用分子生物學(xué)和基因組等相關(guān)技術(shù)，選擇合適基因，設(shè)計(jì)相關(guān)方案[7]。轉(zhuǎn)基因育種是利用現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)，通過添加或減少1 個(gè)或多個(gè)基因改良植物某一相關(guān)性狀，使該性狀能夠穩(wěn)定遺傳，達(dá)到作物改良目的[8]。大豆轉(zhuǎn)基因主要通過基因槍法和農(nóng)桿菌介導(dǎo)法在子葉節(jié)和胚軸進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化。

目前，國外抗除草劑、抗蟲大豆已廣泛商業(yè)化種植。國內(nèi)抗除草劑轉(zhuǎn)基因大豆主要有中黃6106 和DBN9004，已于2020 年獲得轉(zhuǎn)基因大豆生產(chǎn)安全證書。還有一些如抗蟲、抗除草劑、品質(zhì)改良轉(zhuǎn)基因新品種已處于獲準(zhǔn)進(jìn)入環(huán)境釋放和生產(chǎn)試驗(yàn)階段。

在抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物中占據(jù)主導(dǎo)地位的為抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆。抗草甘膦基因是從土壤農(nóng)桿菌菌株CP4 中分離得到的CP4-EPSPS 基因，并于20 世紀(jì)90 年代在插入植物基因組中成功表達(dá)[9]。轉(zhuǎn)基因大豆抗蟲基因主要采用Bt 基因。Bt 基因是在蘇云金芽孢桿菌中發(fā)現(xiàn)的，主要用于棉花和玉米，可減少農(nóng)藥使用。目前，來源于Bt 菌株的cry1Ac、cry2Ab2、cry1A.105 抗蟲基因已成功轉(zhuǎn)入大豆[10]。

與非轉(zhuǎn)基因大豆相較，轉(zhuǎn)基因抗蟲大豆對草地螟等鱗翅目害蟲有較高抗性，其化學(xué)農(nóng)藥施用量較小[11-15]。耐草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆田噴施草甘膦后的雜草防除效果顯著高于常規(guī)化學(xué)除草[16-17]。因此，種植轉(zhuǎn)基因抗蟲、抗除草劑大豆可高效、經(jīng)濟(jì)地控制蟲害和草害，提高大豆產(chǎn)量，降低農(nóng)藥使用量。隨著國內(nèi)分子育種技術(shù)的快速發(fā)展，相關(guān)生物育種平臺相繼成立投入使用，取得了一定研究成果，但與國外先進(jìn)技術(shù)相較仍有差距，如在抗除草劑、抗蟲大豆商業(yè)化應(yīng)用及多個(gè)團(tuán)隊(duì)在多個(gè)試驗(yàn)方向的模塊化操作上還需深入研究[18]。

隨著分子育種技術(shù)的快速發(fā)展，抗除草劑和抗蟲大豆的廣泛應(yīng)用，針對轉(zhuǎn)基因育種的生物安全性備受爭議。CRISPR/Cas9 技術(shù)可準(zhǔn)確識別目標(biāo)基因，且在基因編輯過程中不引入外來基因，因此，在美國通過該技術(shù)編輯的植物已被定義為非轉(zhuǎn)基因植物。目前該技術(shù)已在水稻、玉米、大豆等多種重要作物上應(yīng)用[19-20]。該轉(zhuǎn)基因分子技術(shù)的應(yīng)用將加速大豆育種進(jìn)程。

1.3 常規(guī)育種與分子育種相結(jié)合

常規(guī)育種周期長、育種效率低，具有隨機(jī)性和不確定性，早代選擇易丟失優(yōu)良基因。隨著生物技術(shù)和分子生物學(xué)發(fā)展，可靶向植物遺傳變化、整合優(yōu)良基因、打破物種界限的分子育種開始出現(xiàn)[21]，并廣泛應(yīng)用于多種作物育種實(shí)踐。分子育種具有周期短，育種選擇效率高等優(yōu)點(diǎn)，可定向設(shè)計(jì)相關(guān)基因，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良基因快速整合。生產(chǎn)上分子育種需通過常規(guī)育種方法在大田生產(chǎn)中進(jìn)行檢驗(yàn)，因此通過兩者結(jié)合選擇優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗病新品種成為大豆育種的有效途徑。兩者結(jié)合優(yōu)勢為：（1）拓寬大豆優(yōu)異基因來源，可從野生大豆材料或其他物種獲取。（2）通過對基因功能深入研究，對育成品種進(jìn)行改良，使其更符合生產(chǎn)和市場需要。（3）分子育種中的分子標(biāo)記輔助選擇通過篩選表型和基因型一致品系，可縮短育種年限。

2 大豆后代選擇

大豆后代選擇上，可根據(jù)育種目標(biāo)在產(chǎn)量、蛋白質(zhì)、含油量和抗逆性等方面對育種材料進(jìn)行有針對性的選擇，還可結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇，選擇基因型和表型一致材料，加快對后代材料篩選。

育種實(shí)踐上，對早代材料一般采用目測選擇優(yōu)勢單株；對高代材料則通過田間目測初選，結(jié)合產(chǎn)量及室內(nèi)考種數(shù)據(jù)決選優(yōu)良株系、品系后，進(jìn)一步參加育種單位內(nèi)部設(shè)計(jì)的比較試驗(yàn)。其中優(yōu)良品系還需參加省級比較試驗(yàn)、區(qū)域試驗(yàn)和生產(chǎn)試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)符合審定要求的品種通過省級品種審定委員會審定。參加國家審定品種同樣需要經(jīng)過比較試驗(yàn)、區(qū)域試驗(yàn)及生產(chǎn)試驗(yàn)，符合審定要求的品種通過國家品種審定委員會審定。

目測選擇應(yīng)圍繞育種目標(biāo)，針對特定材料靈活應(yīng)用。田間目測選擇應(yīng)以抗病、抗倒、高產(chǎn)或優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)為育種目標(biāo)，淘汰不良后代，集中對優(yōu)良株系、品系或組合進(jìn)行目測評分、田間測產(chǎn)和室內(nèi)考種[22]。

3 展望

常規(guī)育種與分子育種相輔相成，常規(guī)育種是基礎(chǔ)，是育種家常采用的成熟育種方式。其以優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗病為育種目標(biāo)，利用基因重組，性狀分離，經(jīng)過多個(gè)世代種植，選擇穩(wěn)定表達(dá)的株系作為品種，但其育種周期長，后期工作量大。由于作物本身缺少抗除草劑、抗病蟲害相關(guān)基因，因此常規(guī)育種條件下難以選育出抗除草劑、抗病蟲害品種，選育品種多為單一性狀優(yōu)異品種。分子育種的出現(xiàn)打破了物種間壁壘、使常規(guī)育種時(shí)間縮短、育種效率提高、生產(chǎn)成本降低，進(jìn)一步豐富了大豆遺傳資源。其彌補(bǔ)了常規(guī)育種選育缺少抗除草劑、抗病蟲害及其他復(fù)合性狀基因的不足，選育出更多具有特異性和復(fù)合性狀的大豆品種滿足生產(chǎn)需求。未來我國大豆種業(yè)技術(shù)將迎來高速發(fā)展階段，常規(guī)育種與分子育種緊密結(jié)合，輔以后代選擇技術(shù)將使育種效率提高，優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、廣適、抗病品種育成率提升，進(jìn)口大豆依存度降低。