大豆种质资源遗传多样性研究进展

何 真, 韵晓东, 武 凯, 姬虎太, 常建忠, 乔麟轶*, 郑 军*

1.山西省农业科学院, 太原 030006;2.山西省农业科学院小麦研究所, 山西 临汾 041000

种质资源是指具有特定农艺性状、特点或相关基因，能够为育种及相关研究利用的生物类型。而遗传多样性的本质是生物体遗传物质，即编码遗传信息的核酸序列在组成、结构和表达上的差异，可以揭示物种的进化历史和过程。作物遗传多样性是当今植物科学研究的重要领域，是作物改良的基础。现代育种工作不仅体现在育种途径和新技术的发展，优异种质资源搜集、研究和利用也备受重视。拥有种质资源的数量与质量，以及对相关资源遗传特点的认识和利用是育种成败的关键所在。在农业生产史上，突破性品种离不开新种质资源的发现与利用。例如，我国发现了矮败不育的水稻特异种质，利用其成功培育的杂交水稻成就了世界水稻产量的突破[1]。此外，20世纪50年代，抗大豆孢囊线虫(SCN)的抗原种质北京小黑豆的发现使美国的大豆生产渡过危机[2]。

我国大豆种植已有5000多年的历史，是大豆的发源地。近年来随着人们生活水平不断提高，大豆需求量迅速增加，供需矛盾日益突出，大豆产业从种植到加工均面临着严重威胁，主要体现在大豆生产、蛋白市场和期货市场受困；大豆消费市场和油脂加工业被控制。2010年国产大豆总量约1 500万t，而进口量达到5 480万t[3]，如何扭转这一被动局面是大豆产业的当务之急。培育有自主知识产权的优良大豆品种能够提高产量、改善品质、增加供给，提高我国大豆市场竞争力，是解决这一难题的有效方法。而根据相关育种目标进行种质资源多样性资源发掘和亲本创新是育种的基础所在。表型各异的品种含有丰富多样的基因资源，特异种质资源的鉴定和研究是优异基因资源利用的基础。具有优异性状亲本的挖掘和创制是培育优良大豆品种的基础，我国具有丰富的大豆种质资源，而育成品种遗传多样性水平较低，遗传基础日益狭窄，很多位点的等位变异呈现明显的偏分布[4]。如何准确鉴定和利用大豆种质资源是当前种质资源研究利用的重点。因此，研究大豆遗传资源多样性并利用优异的种质资源对于农业的可持续发展意义重大。

1 大豆种质资源概述

1.1 大豆种质资源的组成

大豆属(Glycine)基本上由Glycine亚属和Soja亚属组成。Glycine亚属一般认为含有16个野生种，Soja亚属具有两个种，即栽培大豆G.max及野生大豆G.soja，两者都为一年生，是大豆最重要的亚属，包含大豆90%以上的种质资源[5]。与栽培大豆相比，一年生野生大豆为二倍体，多具有主茎与分枝不明显、无限结荚、缠绕性强、叶小狭窄、日性强短、裂荚的特性，且多为紫花棕毛，还具有籽粒小、黑色种皮、具有泥膜、吸水慢、种子蛋白质含量高和油分含量低等特点。野生大豆在长期选择过程中导致基因不断发生变异，经过长期积累形成栽培大豆。Glycine亚属的22个多年生野生品种构成大豆种质的三级基因库，多分布在澳大利亚沿岸和南太平洋的一些岛屿上，其中在我国福建、广州及其附近沿海岛屿上分布有烟豆(G.tabacina)和短绒野大豆(G.tomentella)两个种[5]。

野生和栽培大豆之间还存在着一些较为特殊的种群类型，遗传特性目前也有相关研究报道，其形态特征介于G.max和G.soja。田清震等[6]采用AFLP对100余份栽培大豆、野生和半野生大豆品种进行检测后发现半野生大豆与野生大豆遗传基础接近，缺失大部分栽培大豆的特异条带。也有文献采用SSR标记考察Glycine属内的遗传多样性，认为G.gracilis可追述到G.max，具有特异的遗传特点[7]。这种过渡类型在遗传上能否独立划分仍存在一定的争议，还需深入研究。

1.2 大豆种质资源保存概况

根据国际植物遗传资源委员会统计资料显示(表1)，共70个国家收集保存了较多的大豆种质资源，共计17万份育成品种和地方品种，一年生和多年生的野生种分别约10 000份和3 000多份[8]。我国栽培大豆和野生大豆种质资源最为丰富，仅栽培大豆品种就有2万余份；其次是美国、日本和俄罗斯等国家。澳大利亚保存有Glycine亚属22个多年生野生种质2 000余份[9]。

表1 大豆种质资源主要收集保存单位概况Table 1 The major germplasm collection and accession of Glycine.

2 大豆种质资源研究进展

2.1 大豆遗传标记的发展

遗传标记是能够稳定遗传的遗传物质的特征表现形式，在物种间和物种内的生物个体具有明显的差异，可以反映生物遗传变异的规律。遗传标记主要用于连锁分析、基因定位及克隆等方面的研究，在分子育种中通过追踪与目标性状紧密连锁的遗传标记对目标性状进行选择。微卫星序列(SSR)、限制性片段扩增多态性(AFLP)、随机引物扩增多样性(RAPD)等标记在大豆多样性研究中发挥了巨大的作用。目前，SoyBase(http://soybase.org)网站上公布的SSR标记已超过1 000个，RAPD和AFLP等分子标记的数量更为丰富[10]。这些标记为大豆遗传图谱的构建、目标基因的定位和克隆以及遗传多样性的研究奠定了良好的基础。

单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP) 数量多、分布广、多态性丰富,并且还可以把多个SNP 整合在一张芯片上实现高通量分型。目前芯片技术在农作物遗传研究中已得到广泛的应用，玉米中的应用最为广泛，已开发了多种芯片用于遗传多样性、关联分析、基因克隆等理论研究，为实现分子标记辅助育种提供了坚实的基础[11]。小麦、高粱、油菜和水稻等作物也已研发SNP芯片并开展相关应用研究，大豆SNP分析在基因组或转录组测序中大规模应用[12]。Hyten[13]利用相关统计学方法从大豆基因组深度测序的结果中分离出大量SNP标记，并进行定位和校正。此外，Song等[10]根据二代测序的结果鉴定出210 kb多态性位点，经过矫正后制备出50 kb的高密度芯片。目前利用SNP标记进行标记-性状的关联分析已有报道，大量与性状相关QTL和连锁标记已发现，但实现真正意义上全基因组芯片还需要一定时间。大豆SNP芯片研发和利用已成为分子育种技术和遗传学研究的关键，也是各国争夺的制高点。我国大豆科技工作者也必需致力于引进和建立具有自主知识产权的大豆SNP芯片，为提高大豆的遗传及育种效率提供技术支撑。

2.2 栽培大豆和野生大豆的遗传多样性

遗传多样性研究过程中常用的统计方法有聚类分析和主成分分析。聚类分析根据遗传标记通过SAS或SYSTAT等统计软件，依据无权重配对分组法(UPGMA)进行聚类分析，以此研究种质资源多样性和物种之间的亲缘关系。主成分分析即主成分遗传距离分析，多以数量性状研究群体的遗传关系，主要步骤为品种间差异明显的若干数量性状采用显著性测验后，以各性状基因型的线性组合为综合指标，通过主成分转换将原始相关变量换算为独立变量，再根据主成分向量求得相应多维空间的几何距离得到群体的遗传距离[3]。季志强等[14]利用SSR标记对亚洲不同国家栽培大豆品种进行地理群体、基因组特异性和遗传结构群体研究后表明：亚洲大豆栽培品种的遗传多样性较为丰富，主要含有4个地理群体，分别为中国东北、黄淮、南方和朝鲜半岛；东南亚和南亚品种间存在一定的遗传差异，中国黄淮与南亚群体间差异最大；不同地理群体的遗传结构不同且位点的互补等位变异较多。利用SSR标记对俄罗斯和我国东北栽培大豆和野生大豆进行遗传多样性分析后发现：野生大豆的遗传多样性比栽培大豆丰富，俄罗斯与我国东北地区虽然物候条件相似但栽培种间基因组上差异较大[15]。可见利用俄罗斯和东北地区的野生大豆资源可以增加东北栽培大豆遗传多样性，筛选出具有优异性状的材料拓宽东北大豆遗传基础。此外，文自翔等[16]利用46对SSR引物对中国205份和日本39份栽培大豆进行遗传多样性分析，结果表明中国和日本的大豆材料遗传差异较大，中国大豆多样性明显高于日本大豆，日本大豆与中国东北及南方春播大豆基因型的亲缘关系比较近。周恩远等[17]从形态学、细胞学及分子水平考察了东北大豆和大豆核心种质中300份代表性材料的遗传特征，发现东北野生大豆的遗传多样性较高，这是由于骨干亲本及衍生品种的多次重复利用导致育成品种遗传多样性明显降低。对不同来源的大豆蛋白质、脂肪含量、百粒重等性状进行比较，发现变异系数最大值均出现在野生材料中；生育期和株高变异系数最大值出现在核心种质材料中；蛋白质含量极差在野生大豆中最大，核心种质材料中脂肪含量极差最大。可见利用国外栽培品种可以拓宽中国品种的遗传基础，利用不同大豆资源是改良中国大豆种质资源的有效途径。

植物在遗传物质完全相同的情况下，仍可通过反式作用因子、甲基化及乙酰化等表观遗传修饰方式引起表型性状的改变，这种方式称为表观遗传修饰。表观遗传修饰可以引起相关基因的表达差异从而产生可遗传的新表型。在植物基因组中胞嘧啶甲基化较常见，复杂且易变。相对于动物基因组的DNA甲基化，植物甲基化大多可自然发生且可遗传。Wang等[18]比较了野生大豆和栽培大豆，阐明了DNA甲基化多样性的遗传规律，发现栽培大豆MSP和MISP高于野生大豆，这与AFLP的结果相悖，说明发生瓶颈效应的基因型可由多种多样的表观基因型决定。此外，MSAP聚类分析表明表观遗传多态性可能存在物种特异性，并可稳定遗传[18]。由于野生大豆和栽培大豆之间存在渐渗现象，使得聚类分析中有个别栽培大豆与野生大豆聚为一类。邱丽娟等[19]对7份野生大豆进行测序，得到了野生大豆群体泛基因组序列和图谱，阐明了野生大豆种内及种间基因组结构变异的特点。该课题组还发掘出野生大豆特有的基因资源，并发现野生大豆中逆境相关基因类型远多于栽培大豆，同时栽培大豆驯化过程中一系列重要性状如开花、脂肪合成及产量等相关基因候选基因也发生了变化，野生大豆基因组大小也存在广泛变异，其中最小基因组仅889 Mb，最大基因组可达1.12 Gb；对注释基因富集后发现不同野生大豆所特有的基因占51.4%，主要是逆境相关基因，表明野生大豆群体内部存在广泛的遗传变异，为阐明人工选择过程中大豆育成品种的基因变异提供了重要的线索[19]。

2.3 野生和栽培大豆进化研究进展

分子标记已广泛用于植物亲缘关系和进化关系的研究，不同位点多态性可有效反映群体遗传多样性和群体间的相似性。目前已有利用分子标记对大豆全基因组DNA遗传变异及演化研究的报道，如细胞核、叶绿体和线粒体等[20]。文自翔[16]选用60对分布于全基因组的细胞核SSR标记和11对叶绿体SSR标记，检测了600余份由地方品种和野生大豆组成的代表性种质，结果发现长江中下游及西南、中南野生生态群体与栽培大豆亲缘关系最近；对各生态群体比较后发现各栽培和野生群体与长江中下游野生大豆群体普遍具有较高的相似度，亲缘关系较近，由此推测以长江中下游可能是栽培大豆的发源地。可见我国近代农业在栽培大豆的驯化方面发挥了举足轻重的作用。

随着测序技术的迅速发展，人类和大量动植物物种的全基因组测序逐步完成，不同物种的基因组在组成和遗传特征方面存在巨大差异。祖先种、近缘种及各亚种间的基因组大小及基因种类和数量明显不同，如在200万～300万年前分化产生籼稻和粳稻，两者参考序列虽然宏观共线性良好，但序列差异高达20%以上且存在很多物理空隙[21]。这些结果表明现存各物种从原始祖先逐渐分化产生的过程中伴随着基因数目、DNA序列组成及基因组大小的不断变化。大豆基因组测序已完成，基因组序列草图已在《自然》杂志上公布，大豆基因组共编码4.6万个蛋白质，大约78%的基因位于染色体末端且发生大量遗传重组，着丝粒区域是物种进化的核心区域，基因组在进化过程中发生了两次复制以及基因组水平的染色体重排，在漫长驯化过程中必然导致基因多样化和基因丢失[22]。Tian等[23]研究发现大豆terminalflower1基因在祖先种、地方种和育成种中的单倍型频率不断降低，并详细阐述了产生选择牵连效应的原因和后果，指出人工选择是改变大豆生长习惯的重要原因。毫无疑问，随着基因组学研究的不断深入，将提供更多关于大豆数量性状进化、多倍体进化和驯化等方面的信息，特别是在全基因组水平上解析大豆重要农艺性状的工作越来越多，大豆重要的生物信息学数据库在不断地完善，对于大豆重要农艺性状的分子设计研究工作也正在逐步地展开。

3 大豆育种方向

世界大豆生产集中在美国、巴西、阿根廷、中国和印度等国家，其中美国大豆育种水平最高。转基因大豆的成功应用及推广进一步巩固了美国大豆育种在世界上的地位。大豆杂种优势的利用、质-核互作雄性不育三系的配套成功为大豆杂种优势的利用奠定了良好的基础[24,25]。高产、优质和抗病是各国育种家追求的永恒目标，我国近一个多世纪以来在大豆育种方面也取得了较大成就，共育成符合不同育种目标的大豆品种1 300多个[26]。当前栽培大豆遗传基础已十分狭窄，优异基因资源短缺是目前大豆育种难以取得突破性进展的主要原因。在理论研究方面已鉴定和开发了多个与产量、品质、抗病和抗逆等性状相关的QTL及相应的分子标记；克隆了与光反应、共生固氮、产量、品质及抗逆性状相关的多个基因，获得了抗虫、耐除草剂等一批具有优良性状的转基因大豆新品系和种质[27]。大豆转基因育种技术体系已初具规模，有相应平台，但技术和水平还有待继续加强。目前国内大豆主要采用常规育种的方法，约占品种数量的90%以上[26]。野生大豆和地方品种是优异基因资源的重要来源，是增加有益基因和拓展栽培大豆遗传基础的重要资源。黑龙江省农业科学院在野生大豆资源搜集、鉴定的基础上开展了野生大豆利用创新工作，利用种间杂交及多代回交选育出特用小粒大豆新品种——龙小粒豆1号，推广后具有较大的种植面积；此外，利用该品种还选育出一批蛋白质含量高、抗病性好、综合农艺性状优良的中间材料和新品系[28]。齐宁等[29]利用野生大豆特异资源与栽培大豆进行杂交，选育出一批具有特点的新材料如龙品88-021、01-757和95-01，这些材料具有高蛋白和高脂肪含量，对疫霉根腐病和灰斑病也有较高的抗性。这些结果说明了利用含有优异性状的野生大豆与栽培大豆回交是创新选育优质、抗病、农艺性状优良的大豆新种质资源的有效途径。因此，加快野生大豆性状鉴定和优异基因挖掘成为大豆育种工作中迫切需要解决的问题。但传统育种易受不良基因连锁的影响，导致育种周期较长，效率较低，仍需要进行育种技术的升级改进。生物技术及信息学的迅速发展使得在全基因组水平上解析大豆重要农艺性状的遗传基础成为可能，这有助于完善大豆重要性状的调控网络，加速大豆重要农艺性状分子设计育种的研究进展。整合各种方法分析基因功能，并将其有效的应用到实际育种中是当前大豆科学研究的主要任务之一。

4 展望

随着各国对种质资源的不断重视，大豆种质资源的收集、保存、鉴定和利用等方面都取得了重要成就，大豆遗传多样性和进化研究也积累了丰富的资料。相关分子生物学技术的发展也使大豆研究得到了长足进展，大量功能基因和重要QTL相继被克隆，为大豆驯化和进化研究提供了更多证据。随着大豆分子育种和基因组学研究的不断深入，如何从种质资源中选出具有代表性的材料并将其有效利用是当前种质资源应用研究的主要任务。因此对相关种质资源进行准确评价和有效利用，充分挖掘资源中的宝贵基因资源，对于大豆遗传与育种的发展具有重要的理论与实践意义。

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