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.黑龍江省農業科學院 哈爾濱150086；2.東北農業大學農學院 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境和遺傳基因所構成的生態環境。 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現、大豆種質資源利用與進化的闡述、 新種質的研發及材料的改良具有重要意義[1]。

大豆作為優質蛋白深受人們喜愛， 在我國經濟生活中發揮著重要的作用[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，不同的地理環境形成了具有不同特性的大豆品種。種質資源具有許多優良的農藝性狀和品質性狀，分析和掌握現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，加大研發力度，培育出優良大豆品種，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的育種方法， 還需要利用新技術， 充分發揮種質資源的潛能。 在農業發展的進程中， 新品種的研發離不開對種質資源的開發與利用， 而種質資源開發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， 對大豆品種的改良具有重要的現實意義。

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水平上的研究

形態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。 孫曉環等[5]通過調查黑龍江省70 份野生大豆種質資源生態性狀發現，黑龍江省野生大豆的單株粒重、株高、莢數等性狀變異系數較大。 分析得出，野生大豆可以用做培育優良品種的材料。 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， 發現重慶大豆種質資源以灰毛、褐臍及黃粒為主。 分析發現，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，采用變異系數法、聚類分析法和多樣性指數法，發現不同地區大豆的多樣性不同， 同一性狀不同地區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 個數量性狀和10 個質量性狀的遺傳多樣性分析， 發現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，研究共發現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。

形態標記雖然簡單、快速、易于觀察，但隨著時代的發展和科學技術的進步， 形態標記的缺點也逐漸顯現出來。 例如，形態學水平的研究容易受到環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 冗余數據，建立了一種高效開發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其功能。本研究共開發了80 個大豆EST-SSR 多態性標記，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，而且在有冗余EST 數據的情況下，也可用于其他物種的標記開發。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。 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現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。 通過聚類分析發現，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。 發現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遠高于2 個品種的總和。劉萌娟等[18]采用3 次重復隨機區組設計， 研究了陜西省大豆種質資源的生態類型、 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，發現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展， 在大豆種質資源遺傳多樣性研究過程中， 形態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， 使自身生長發育和繁殖受到最小抑制的能力。 近年來地球環境不斷惡化，全球氣候也發生了很大的變化，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的最有效辦法是培育耐鹽性品種。 為使大豆在不良環境下也能正常生長， 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轉變為成片傾斜， 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。 在田間考察時發現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嚴重導致大豆減產，在全球大豆種植區域均會產生影響，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， 擁有許多優良性狀。 前人研究表明，可能由于黑龍江省北部氣候環境等原因，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， 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。 為此需要通過開發與利用種質資源， 培育出高產優質大豆新品種。

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環境相似。 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境共同作用的結果。 我國地大物博， 地理氣候環境多樣， 形成了適宜多種環境的大豆品種。 地方大豆品種具有較強的適應性、 抗病、 抗逆性強、 產量穩定。 地方品種數量眾多， 為選育優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系統中占有重要位置，為人類生活提供基本物資， 并發揮著國家戰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、多枝等優良特性，為培育優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，這是培育優良大豆品種的巨大財富。

4.4 國外大豆品種

大豆優良品種的選育離不開優良性狀親本的利用，從國外直接引進大豆新品種，有2 個優點，一是國外不同的地理環境， 以及許多優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適應性。 二是國外許多優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良品種有著很大的幫助。 國外大豆品種雖有許多優點， 但是需要注意的是國外品種往往不適應國內的氣候環境， 利用國外的種質資源時需要以當地的大豆品種作為親本進行雜交， 培育出具有國外大豆優良性狀的大豆品種。

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，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和利用， 研究大豆種質資源遺傳多樣性， 培育出高產優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，整理出具有優良性狀的種質資源，充分研發其遺傳物質的多樣性， 利用其培育出優質大豆品種。 中國、日本和韓國等地是大豆馴化的發源地，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， 培育出具有優良性狀的大豆品種， 早日實現我國大豆自給自足。