分子標記在大豆遺傳育種中的應用

王海濱　張君

摘要 大豆起源于我國，是重要的植物蛋白質和食用油脂的來源，同時也是世界上重要的糧食與經濟作物。大豆的遺傳研究一直受到很高的重視，但與其他作物相比，仍明顯滯后。育種專家一直在開發提高育種效率的技術。DNA分子標記被認為是實現這一目標的主要技術之一。文中綜述了分子標記在大豆育種中的應用情況，并對存在的主要問題進行了探討，為大豆的進一步開發利用提供了依據。

關鍵詞 大豆；分子標記；遺傳育種

中圖分類號 S565.1 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）03-00658-02

大豆含有豐富的脂肪和蛋白質，是糧食、油料和飼料兼用作物，在人民生活中占有十分重要的地位。過去十多年來，伴隨經濟的高速發展及生活水平的不斷提高，我國對飼用蛋白和植物油脂的需求量與日俱增。僅2012年，我國就進口大豆（以轉基因大豆為主）5 838萬t，而國產大豆只有1 300 萬t，自給率僅為20%，形勢非常嚴峻[1]。傳統育種主要依賴于作物的表現型選擇，基因間互作、環境條件、基因型與環境互作等因素都會對表型選擇效率產生影響[2]。因此，傳統育種方法效率低、周期長、成本高，并且具有一定的盲目性。

生物技術的不斷發展，特別是DNA分子標記的出現，極大地推動了育種事業的發展。DNA分子標記是DNA水平上遺傳多態性的直接反映，具有分布均勻、穩定性好等特點。目前，DNA 分子標記已被廣泛應用于大豆的遺傳多樣性研究、遺傳圖譜的構建、數量性狀基因分析和分子標記輔助選擇等各個方面。

1 分子標記技術在大豆育種中的應用

1.1 大豆遺傳多樣性研究 遺傳多樣性是指物種的種內或種間個體間的基因變化[3]。大豆種質資源是大豆遺傳改良的基礎，正確評定種質資源的變異特點，明確其間的遺傳關系，非常有利于大豆的改良。2012年，周春娥等利用SRAP標記對133份大豆進行遺傳多樣分析，多態性比率為87.6%，期望雜合度為0.287 4[4]。這說明用SRAP分子標記分析大豆遺傳多樣性非常適宜，同時也為大豆遺傳資源的保護和利用提供了依據。2012年，曾維英等用SSR標記，對1980年和1981年在廣西收集的68份野生大豆進行遺傳多樣性分析，等位變異數目范圍為4～11條，平均為6.83條[5]。聚類分析把68份材料分為了2大類，各地區材料之間存在明顯的遺傳差異。2013年，Appiah-Kubi D等運用SSR標記和形態特征對來自加納、尼日利亞和巴西的36份大豆材料進行遺傳多樣性的分析[6]。基于杰卡德相似系數，用20個SSR標記將種質資源分為了6組。根據株高、單莢粒數和成熟期3個重要形態性狀，應用 PCA雙標圖，鑒定種質資源，將其分成了3類。這對加納的大豆雜交育種工作有很大的促進作用。2013年，趙青松等利用SSR標記對廣東省5個縣野生大豆居群的遺傳多樣性進行了分析，在60個SSR位點共檢測出263個等位變異，同一位點上等位基因數目平均為4.38個[7]。依據遺傳距離將南雄和乳源聚類為1類，連南和連州聚類為1類，仁化單獨為1類。2013年，王彩潔等利用125對SSR標記對東北和黃淮海地區的89個大豆品種進行遺傳多樣性分析，結果顯示黑龍江北部、黑龍江中南部、吉林遼寧地區和黃淮海地區品種標記的多態性信息含量（PIC）依次為0.414、0.469、0.522和0.562，表明品種的SSR標記的多態性自北向南逐漸升高[8]。

1.2 大豆遺傳連鎖圖譜的構建 大豆含有廣泛的復制區和豐富的重復序列，并且基因組較大，在129×109～181×109 bp [9]。與玉米、水稻等作物相比較，大豆的遺傳圖譜發展比較緩慢。1988年，Apuya等把Minsoy和Noirl雜交得到的F2群體作為研究對象，構建了第1張大豆RFLP圖譜，共有11個RFLP標記，覆蓋4個連鎖群[10]。1997年，張德水等以長農4號×新民6號的F2群體構建了我國第1張大豆遺傳連鎖圖譜，包括8個RAPD標記和63個RFLP標記，覆蓋20個連鎖群，總遺傳距離1 446.8 cm[11]。1999年，Cregan等將3個（A81-356022×PI468916、Minsoy×Noir 1和Clark×Harosoy）遺傳連鎖圖譜整合為1個包括20個連鎖群、標記總數為1 423個的大豆“公共圖譜”[12]。2004年，Song等利用5個群體對大豆整合遺傳圖譜進行了加密，增加了420對新的引物，成功構建了最具代表性的一張包含1 849個SSR標記的大豆“公共圖譜”，該圖譜總遺傳距離2 524.6 cm，標記間的平均距離縮短為2.5 cm[13]。2010年，汪霞等以溧水中子黃豆（P1）×南農493-1（P2）雜交得到的260株F2反交個體為材料，用SSR標記進行擴增，得到1張含有113個分子標記，包含34個連鎖群的遺傳圖譜，其總長度為1 557.85 cm，標記間平均距離為13.79 cm[14]。每個連鎖群上的標記數目為2～10個，連鎖群長度在6.9～109.1 cm。2012年，洪雪娟等以Peking×7605組合分別在濟南和南京衍生大豆重組自交系群體為材料，利用145個SSR多態性引物和1個形態學標記進行分析，構建出2張分別含27和25個連鎖群的大豆遺傳圖譜，其總長度分別為1 574.80和1 682.50 cm，標記間平均距離分別是13.58和15.72 cm，連鎖群長度范圍分別為17.30～127.40和20.10～137.50 cm[15]。

1.3 數量性狀基因分析 QTL（Quantitative Trait Loci），即數量性狀基因座位，是指控制數量性狀的基因在基因組中的位置。作物中大部分的農藝性狀是由多基因或QTL控制的數量性狀，采用傳統的育種方法對這些性狀進行選擇難度非常大。借助與QTL連鎖的分子標記，可以在育種中跟蹤相關QTL的遺傳動態，提高數量性狀的可操作性。

1.3.1 大豆產量性狀QTL。2010年，劉春燕等以美國大豆品種Charleston為母本，東農594為父本，以F2∶14代重組自交系的154個株系為材料，用SSR引物對群體進行擴增，對2年同一地點下在親本間表現多態的莢數、百粒重等12個與產量相關的農藝性狀進行調查和分析[16]。結果發現，與12個產量性狀相關的QTL有33個，其中6個QTLs在2個環境下被檢測到，表明受環境的影響很小。

1.3.2 大豆品質性狀QTL。2012年，葛振宇等在RIL群體中定位了3個控制蛋白與油分的QTL。其中，控制油分性狀的QTL位于H連鎖群的Satt442分子標記附近；控制蛋白質和油分雙性狀的2個QTL分別位于E連鎖群的Satt384分子標記附近，以及I連鎖群的Satt496分子標記附近，并且Satt496分子標記附近的QTL是控制油分穩定的主效QTL[17]。

1.3.3 大豆抗病蟲性狀QTL。2013年，黃珊珊等對大豆蚜抗性進行QTL分析，一共發現5個與大豆蚜抗性相關的QTL位點，其中2個QTL位點位于F連鎖群，貢獻率分別為26.29%和13.15%；2個QTL位點位于B1連鎖群，貢獻率分別為7.64%和7.00%；1個QTL位點位于D2連鎖群，貢獻率為11.26%[18]。

1.4 分子標記輔助選擇 分子標記輔助選擇（Marker-assisted Selection，MAS）是將分子標記應用于作物改良過程中進行選擇的一種輔助手段[19]。其基本原理是利用與目標基因緊密連鎖或表現共分離關系的分子標記對選擇個體進行目標區域以及全基因組篩選，從而減少連鎖累贅，獲得期望的個體，達到提高育種效率的目的[20-21]。

1.4.1 在回交育種中的應用。當農藝性狀由單基因或寡基因等質量性狀基因控制時，如果對其進行分子標記輔助選擇，大多采用回交育種分析方法。每一回交世代與分子標記輔助選擇相結合，篩選出含有目的基因的品系，從而培育出理想品種。

2002年，段紅梅等利用具有魯豆4號背景的不同世代脂氧酶缺失株系為材料，用SSR標記進行遺傳背景回復率相關分析，鑒定出缺失Lox Z株系L144遺傳背景回復率高達0.937 5，加快了大豆種子脂氧酶缺失品種的育種進程[22]。2009年，蔣洪蔚等利用美國大豆品種Clark與主栽品種紅豐11所構建的回交導入系，經過芽期耐低溫篩選鑒定，有46個導入系個體在芽期耐低溫性狀上明顯超過輪回親本。利用這套選擇群體結合隨機對照群體和基因型分析，檢測到分布于大豆8個連鎖群的12個與大豆芽期耐低溫相關的QTL[23]。2012年，曾慶力等利用野生豆ZYD00006和綏農14構建的BC3F2代回交導入系群體為篩選材料，對小粒豆材料進行遺傳定位分析，共檢測到9個與小粒豆相關的位點，分布在7個連鎖群上，其中有7個標記連鎖的QTL位點是新發現的[24]。

1.4.2 在基因聚合中的應用。基因聚合是將多個有利基因通過選育聚合到一個品種中[25]。基因聚合可以使品種同時在多個性狀上得到改良。育種專家將多個控制垂直抗性的基因聚合到同一品種中，可以提高作物抗病的持久性。

2008年，Maroof S等用標記輔助選擇將SMV抗性基因Rsv1、Rsv3和Rsv4，通過復合雜交聚合到同一個品種中[26]。將含有1、2或3個Rsv抗性基因的品系接種6個美國SMV株系后，發現具有2或3個Rsv抗性基因的品系對SMV抗病的持久性明顯提高。2010年，王大剛等用齊黃1號、科豐1號和大白麻（分別攜帶抗性基因RSC14Q、RSC8、RSC4）作為抗性基因的供體，對3個親本復交（齊黃1號×科豐1號）×（大白麻×南農1138-2）后代進行了標記輔助選擇，并對SMV株系SC14、SC8和SC4進行表型鑒定。從F4代篩選出20株攜帶抗性基因RSC14Q、RSC8、RSC4的聚合材料，其中2個單株攜帶的3個抗性基因位點已經純合，為大豆花葉病毒病的防治提供了有價值的聚合材料[27]。

2 問題與展望

近年來，分子標記技術的發展突飛猛進，但在育種中的應用卻遠沒達到預期效果。原因主要有以下幾方面：①目標基因的定位與分子標記輔助選擇脫節。目前，大多數研究只考慮了研究的方便，而沒有考慮與育種材料的結合，因而許多研究最終都只停留在目標基因的定位上。②標記信息的丟失。標記并不是基因，由于重組使標記與基因分離，導致選擇偏離方向。③大多重要性狀是數量性狀，是多基因控制的。對于數量性狀標記的鑒定，還有待于進一步開發更簡便、快速、準確的方法。