大豆種子大小遺傳研究進展

余希文 王亞琪 趙志鑫 傅蒙蒙 李曙光 楊加銀 徐海風

摘 ? ?要：種子大小是大豆產量構成因素之一，同時對大豆商品性有重要影響。文章按照研究方法對近年來大豆種子大小遺傳研究進行了歸納總結，簡單概述了植物種子大小調控網絡，通過對比大豆和其他植物中種子大小相關研究的差異，探討大豆種子大小遺傳研究和育種中存在的不足及可行的解決辦法，并展望了后續研究。

關鍵詞：大豆；種子大小；遺傳研究；基因

文章編號：1005-2690（2023）14-0007-05 ? ? ? 中國圖書分類號：S565.1 ? ? ? 文獻標志碼：A

種子大小是作物馴化的一個主要農藝性狀，也是產量構成因素之一。種子大小形成機制的研究是種子生物學的一大熱點，其遺傳調控網絡研究主要在擬南芥和水稻中進展顯著[1]。種子大小影響大豆種子產量，還影響大豆的商品性。在消費市場，大粒大豆更受消費者的歡迎。文章概述了種子大小在不同物種中的研究現狀，按照研究方法分類詳解了大豆種子大小相關研究，通過對比其他植物中的研究進展，總結其存在的不足，并探討了可行的解決方法，以期為大豆種子大小相關研究提供思路。

1 植物種子大小調控路徑

植物種子大小受多種因素調控，現有研究表明，泛素蛋白酶體途徑、G蛋白途徑、絲裂原活化蛋白激酶途徑、植物激素以及多種轉錄因子都參與了植物種子大小的調控[2]。

泛素蛋白酶體途徑是指蛋白質通過與E1泛素受體和E2泛素結合酶連接，然后與E3泛素連接酶結合而泛素化，最終泛素化的蛋白質會被26S蛋白酶體降解為短肽或者氨基酸的過程。該途徑中多個基因參與了種子大小的調控，如DA1、DA2、EOD1等，擬南芥中相關研究揭示了這一過程。泛素受體DA1負調控擬南芥種子大小，DA2和DA1相互作用，增強其與底物結合的特異性，繼而選擇性降解下游底物，共同調節種皮細胞增殖的過程，限制種子的生長。EOD1（DA1增強因子）也能與DA1互作而增強其表達，負調控種子生長。這一途徑受親代基因型控制，具有母體效應[3-4]。

G蛋白參與多種生命活動過程，G蛋白由3個亞基Gα、Gβ、Gγ組成，非活性狀態為3個亞基聚合而成的三聚體結構，感受到上游信號之后，G蛋白會與受體GPCR相互作用而被磷酸化，磷酸化的α亞基會與βγ二聚體分離，使得兩者都被活化，從而將上游信號傳遞下去[5]。水稻Gα突變體對赤霉素的敏感性降低，植株矮小，種子變短變小，表現為小而圓的種子。Gβ和Gγ正向調控種皮細胞增殖從而促進種子生長[6-7]。

植物激素途徑是一種重要的種子大小調控方式。參與調控植物種子大小的主要植物激素是生長素、油菜素內酯、細胞分裂素和赤霉素。生長素調控種子大小主要通過ARFs（生長素響應因子）實現，擬南芥ARF2突變體種子變小，進一步研究表明，ARF2主要通過限制珠被細胞增殖來影響種子大小[8-9]。甘藍型油菜中相關研究發現，BnARF18可以正向調節角果長度和種子大小。BR（油菜素內酯）通過調控胚和胚乳的生長發育來調控種子大小。CKX2（細胞分裂素氧化酶）發生突變的擬南芥株系表現為種子增大，表明CKX2負調控種子大小。赤霉素可以降解下游DELLA蛋白，從而正調控種子大小。

MPK（絲裂原活化蛋白激酶）蛋白家族參與植物多種生命活動，如抗蟲、抗病、抗逆等。此外，MPK通過一系列磷酸化過程，也能正調控種子發育[10-11]。

此外，多種轉錄因子，如GRF4、KLU等，也通過調控種子種皮細胞增殖和胚乳的生長等過程來調控植物種子大小[12-14]。

2 大豆種子大小遺傳研究

大豆種子大小差異很大，小的大豆品種百粒重不到10 g，大的大豆品種百粒重可達40～50 g，野生豆百粒重一般在3 g左右[15]。大豆種子是雙子葉無胚乳種子，由種皮和胚構成。種皮約占種子重量的8％，一般差異不大[16]，種皮限制了種子內容物的生長，因此種皮對于種子大小有重要的影響。種皮的生長主要受母體基因型調控，在植物中已發現多個基因參與種皮細胞的增殖和增大[17]。胚由胚芽、胚根、胚軸和子葉4個部分構成，其中大豆子葉占據了種子重量的90％以上，其他3個部分占種子重量的2％左右。子葉細胞的增殖和增大也顯著影響種子大小，子葉的生長受子代基因型調控，因此，種子大小也受子代基因型的調控[18]。大豆種子的發育從R1開始，直到R8結束，但是不同時期大豆種子干重增加速度不同。大豆粒重增加速度總體上呈先增快后減慢的趨勢，R5和R6粒重增加最為顯著，這一時期粒重增加占成熟大豆粒重的80％左右。因此，研究大豆粒重的調控因素，應重點關注這一時期特異表達的基因[19]。

2.1 大豆種子大小QTL定位

www.soybase.org現已報道的大豆種子大小QTL有304個，分布于大豆的20條染色體上[20]。Yan L等（2014）[21]利用冀豆12×ZYD2738構建的F2群體和冀豆9號×ZYD2738構建的F2：3群體，共檢測到7個與百粒重相關的QTL；其中qSWT13-1位于13號染色體上，與Satt114連鎖，連續2代在2個群體中表現出超顯性效應，是提高雜交大豆百粒重的潛在有用基因。郭潔等（2017）[22]利用東農46和L-100構建RIL群體，共檢測到5個百粒重QTL，遺傳貢獻率為2.30％～7.59％。Yang Zhe（2013）等[23]利用美國高產大豆品種Charleston和東農594雜交，獲得147個重組自交系，檢測到11個百粒重相關QTL。Kato Shin等（2014）[24]利用粒重相差2倍的日本大豆和美國大豆為親本構建重組自交系群體，共檢測到15個粒重QTL，其中在多個生長環境中都檢測到的qSW17-1位于17號染色體上，可以解釋粒重表型變異的9.4％～20.9％。Li J（2019）等[25]利用3個不同生態區SNPs全基因組關聯分析，找到21個粒重相關QTL，可以解釋8.12％～14.25％的表型變異，其中位于9號染色體上的SW9-1可以解釋表型變異的10.05％～10.93％，且在栽培大豆中的占比遠高于野生大豆，表明這個QTL在大豆育種過程中受到選擇。這些研究表明，關于大豆百粒重這一性狀，已定位到較多相關QTL，但在不同的品種和不同的生態區，定位到的QTL差異較大，且定位到的QTL區間跨度較大，仍有待進一步研究。

2.2 關聯分析發掘大豆種子大小相關基因

關聯分析又稱關聯作圖，是通過統計分析群體內的遺傳標記與表型變異之間的相關性來發掘與性狀相關聯的遺傳位點的方法[26]。由于不需要構建遺傳分析群體，關聯分析已被廣泛用于鑒定和驗證與農藝性狀和標記輔助選擇育種相關的分子位點。

Wang Xiaobo等（2015）[27]對23 587份大豆種質資源中GmCYP78A10使用CAPs標記進行基因分型，發現該基因只有2種等位變異。GmCYP78A10a等位變異主要分布在野生型大豆中，GmCYP78A10b主要分布于栽培大豆，GmCYP78A10b等位變異的分布比例與種子大豆極顯著正相關，與單株莢數極顯著負相關，但與單株產量無明顯關聯，表明GmCYP78A10在大豆馴化的早期經歷了人工選擇。Feng X等（2022）對來自中國三大生態區共146份大豆種質材料進行了重測序，而后使用4 987個SNP進行GWAS分析，共鑒定21個種子大小相關的SNP，包括3個百粒重相關SNP、16個種子長相關SNP、2個單株粒重相關SNP，平均每個SNP能解釋11.34％的表型變異；其中，位于9號染色體上的SW9-1（ss246792949T/C）位點在大粒群體和小粒群體中有顯著差異，SW9-1C在野生型大豆中分布較廣，SW9-1T主要分布在栽培大豆中，表明q-SW9-1是大豆百粒重的一個可靠位點，且在大豆馴化過程中受到了人工選擇。Assefa T等（2019）利用419份大豆種質的基因分型數據，發掘出5個粒重QTL位點；19號染色體上相關位點的候選基因Glyma.19 g151900編碼一種AP2結構域蛋白，其擬南芥中的同源基因AT1G03430.1參與了擬南芥種子大小調控。

2.3 生物信息學發掘大豆種子大小相關基因

生物信息學通過綜合運用數學和信息科學等多領域方法，對生物信息進行獲取、加工、存儲、分析和解釋，闡明大量生物學數據中包含的生物學意義，主要包括基因組學、蛋白質組學，轉錄組學等。

在大豆種子大小調控基因的發掘方面，生物信息學得到了廣泛的運用。Lu Xiang等（2016）[28]通過研究40個發育中種子的轉錄組，構建了基因共表達網絡，結合已報道的種子大小相關QTL位點，發掘出潛在的種子大小調控基因GA20OX。這個基因編碼赤霉素生物合成中的限速酶，在擬南芥中過表達該基因表現出顯著的種子增大表型，表明其對種子大小具有調控作用。Du Juan等（2017）[29]對2個種子大小差異顯著的大豆品種的發育中的種子進行轉錄組分析，發現其中表達量差異顯著的基因CYP78A5在種子大小調控中發揮重要的作用，過表達CYP78A5的轉基因大豆表現出顯著的種子增大表型。Gu Yongzhe等（2017）[30]利用轉錄組分析了野生型大豆和栽培大豆發育中種子的差異表達基因，發掘出和種子大小表型關聯的差異表達基因SoyWRKY15a，研究表明該基因在野生豆和栽培豆中的不同單倍型的編碼區一致，但在啟動子區域存在4種單倍型，啟動子區域的SNP造成了該基因在栽培豆中的表達量顯著高于野生型大豆。

2.4 同源克隆發掘大豆種子大小相關基因

近緣物種間基因存在一定的同源性，許多基因在不同物種間功能保守。目前種子大小在擬南芥和水稻中的相關研究較為透徹，利用同源克隆的方法來發掘大豆種子大小調控基因也是有效的。

相關研究表明，擬南芥KLU正調控種子大小。Zhao Baotian等（2016）[31]克隆了大豆中KLU同源基因GmCYP78A72，GmCYP78A72在發育中的種子中表達量最高，在擬南芥和大豆中分別過表達GmCYP78A72都表現出顯著的種子增大表型；GmCYP78A72單突變體種子大小變化不明顯，但GmCYP78A57、GmCYP78A70和GmCYP78A72三突變體種子大小顯著減小，表明這3個基因在調控大豆種子大小方面功能冗余，同時CYP78A72在擬南芥和大豆中功能保守。擬南芥PSK-α編碼一種硫酸化五肽植物激素，參與多種植物生長發育的過程。Yu Liangliang等（2019）[32]利用同源克隆的方法從大豆基因組中克隆了1個擬南芥PSK-α同源基因GmPSKγ，這2個基因編碼的蛋白質只有1個氨基酸差異，在擬南芥和煙草中過表達GmPSKγ都能顯著提升種子大小，表明其對種子大小具有調控作用。Jiang W等（2020）也在大豆中同源克隆了多個擬南芥AP2家族同源基因，并在擬南芥中進行了轉基因驗證，發掘出多個潛在的大豆種子大小調控基因，包括GmAP2-1、GmAP2-2、GmAP2-3等。

2.5 突變體研究發掘大豆種子大小相關基因

可穩定遺傳的植物突變體和其內部遺傳物質的改變存在對應關系，通過構建突變體庫來定位基因是有效的研究手段。

目前已有多個利用突變體來定位種子大小調控基因的報道。Ge Liangfa等（2016）[33]通過篩選快中子苜蓿突變體庫發現了一個種子大小顯著高于野生型的突變體mtbs1-1，并使用圖位克隆的方法定位了此基因，轉錄組分析和其他一些分子生物學研究揭示了BS1通過與Medicago NINJA互作來調控原初細胞增殖繼而調控種子大小。在大豆中過表達該基因的大豆同源基因能顯著調控大豆種子大小，同時蛋白質含量有一定的提高，表明GmBS1是大豆種子大小的一個重要調控因子。Yin Pengcheng等（2020）[34]利用苜蓿小粒突變體SLB1定位到編碼F-box家族蛋白的基因SLB1，SLB1與MtASK1和MtASK2共同組成E3泛素連接酶復合體并降解BS1來調控種子大小；過表達同源基因GmSLB1的轉基因大豆具有顯著的種子增大表型，說明SLB1參與了種子大小調控，且在苜蓿和大豆中功能保守。

3 展望

種子大小是一個多基因控制的復雜農藝性狀，其調控網絡涉及多種物質的相互作用[35]。結合大豆中相關研究來看，許多種子大小調控基因在各種作物之間功能保守[36]。目前大豆種子大小相關研究以發掘單個基因為主，尚未構建完整的調控路徑。其他作物中已有的種子大小相關研究將為大豆種子大小調控網絡的構建提供有效的參考。

大豆種子大小相關研究表明，通過QTL定位、關聯分析、生信分析、同源克隆等方式可成功克隆多個大豆種子大小調控基因[37-38]，但結合這些研究來看，也存在一些不足，例如基因功能驗證方面表型不夠明確，許多研究缺少直接的大豆突變體表型或者過表達材料表型，這可能與大豆轉基因效率偏低有關，后續大豆轉基因技術的提升將加速大豆基因功能驗證。目前來看，直接以大豆種子大小突變體為材料來定位大豆種子大小調控基因的相關研究并不多見，多以模式植物苜蓿中相關突變體為材料發掘基因，再同源克隆大豆同源基因，這可能歸因于大豆復雜的基因組。約14萬年前大豆基因組復制事件導致大豆基因組結構復雜，使用常規技術研究大豆基因功能難度較大，但是直接以大豆突變體為材料來研究大豆種子大小會更有說服力。

大粒大豆具有更好的市場競爭力，然而許多大粒變異材料常擁有多個不利農藝性狀，如發芽率低、產量低等，使得發現的大豆粒重調控基因較難在育種中加以應用。發掘出好的基因單倍型，使得粒重增加而其他農藝性狀變化在能接受的范圍，這樣的工作具有良好的育種利用前景。

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基金項目：淮安市農業科學研究院科研發展基金（HABL202226）；國家青年自然科學基金（32201729）。

作者簡介：余希文（1994—），男，漢族，湖北荊州人，碩士，研究實習員，研究方向為大豆遺傳育種。

王亞琪（1988—），女，漢族，河南洛陽人，博士，助理研究員，研究方向為大豆分子育種。

趙志鑫（1995—），女，漢族，山西呂梁人，碩士，研究實習員，研究方向為大豆遺傳育種。

傅蒙蒙（1988—），男，漢族，安徽亳州人，博士，助理研究員，研究方向為大豆種質資源生態。

李曙光（1982—），男，漢族，河南周口人，博士，助理研究員，研究方向為大豆遺傳育種。

楊加銀（1963—），男，漢族，江蘇興化人，博士，研究員，研究方向為大豆遺傳育種。

通信作者：徐海風（1977—），男，漢族，江蘇淮安人，碩士，副研究員，研究方向為大豆遺傳育種。