我国大豆分子设计育种成果与展望

田志喜 刘宝辉 杨艳萍 李 明 姚 远 任小波 薛勇彪

1 中国科学院遗传与发育生物学研究所 北京 100101

2 中国科学院东北地理与农业生态研究所 哈尔滨 150081

3 中国科学院文献情报中心 北京 100190

4 中国科学院 重大科技任务局 北京 100864

1 我国大豆产业与科研现状

1.1 大豆是我国食用油和饲料的主要来源，供需矛盾日益突出

大豆是重要的粮食作物和经济作物，为人类提供丰富优质的油脂和蛋白资源。无论大豆油还是作为饲料的豆粕，我国一直都是消费大国，消费量居世界第一位。仅 2017 年，我国消费大豆油 1 740 万吨，占全球消费总量的 30.9%；消费豆粕 7 407 万吨，占全球消费总量的 31.7%①USDA. https://apps.fas.usda.gov/psdonline/app/index.html#/app/advQuery.。

随着人口增长、人民生活水平提高和饮食结构的变化，我国对大豆的需求逐年增加，供求矛盾日益突出。1995 年以前我国一直是大豆净出口国。1995 年，国家调整大豆进出口政策，增加进口，减少出口，我国首次成为大豆进口国，随后呈逐年上升趋势。2000 年进口突破 1 000 万吨，2010 年突破 5 000 万吨，2017 年高达 9 553 万吨。目前，我国大豆对外依存度高达 87% 以上，为世界最大的大豆进口国，且 2017 年的进口主要来源于巴西、美国和阿根廷，分别占我国进口总量的 53%、34% 和 7%②农业部市场与经济信息司。农产品供需形势分析月报。[2018-02-11]。http://www.moa.gov.cn/ztzl/nybrl/rlxx/201802/P020180211534950278328.pdf。。

1.2 我国大豆生产和科研水平落后于美国

自 1978 年以来，经过大豆育种学家的不懈努力，我国已经培育了 1 800 多个大豆新品种，在生产上品种更换了 4—5 次，使大豆单产提高 140%。但是，与国外大豆主要生产国相比，我国大豆单产还有很大差距。目前，巴西、美国和阿根廷等大豆生产大国的大豆平均产量已经高于 3 000 公斤/公顷（相当于 200 公斤/亩）；与之相比，我国大豆平均单产长期以来在 120 公斤/亩左右徘徊。

近年来，我国大豆科研水平有了明显提升，但与美国相比，还有相当大的差距。对 1916—2017 年间大豆相关研究的 SCI 论文进行统计，结果表明，美国以绝对的数量和质量优势占据全球大豆研究发文量的首位，其研究论文总量占全球总发文量的 44%，且发文量排名前 10 位的机构均来自美国，Top10% 的高被引论文数量也排名第一，占高被引论文总量的一半以上。在大豆相关发明专利授权数量上，美国也雄踞榜首。通过大豆核心专利的技术布局分析发现，核心专利和相关技术主要掌握在孟山都、陶氏-杜邦等美国公司手中，这些公司通过对大豆种子技术的掌控来实现对产业链源头的垄断。在育种技术上，美国育种公司已经开始了分子育种，而我国基本以传统育种方式为主，在育种效率和对具体性状的精确改良上明显落后于美国。

2 大豆分子模块设计育种成果

通过中国科学院战略性先导科技专项（A类）“分子模块设计育种创新体系”的实施，我国在分子模块鉴定、分子模块耦合效应解析、初级分子模块设计品种培育等方面都取得了较好的进展，初步建立了大豆分子模块设计育种体系。相关研究成果发表于 Nature Biotechnology、Nature Genetics、Molecular Plant 等国际期刊，申请和获得发明专利 20 多项。

2.1 分子模块鉴定

大豆是光周期敏感的短日照植物，这限制了大豆的种植区域。中国科学院东北地理与农业生态研究所（以下简称“东北地理所”）孔凡江和刘宝辉团队、中国科学院遗传与发育生物学研究所（以下简称“遗传发育所”）田志喜团队和中国科学院华南植物园侯兴亮团队合作，克隆了大豆长童期基因 J。该基因突变型可推迟低纬度条件下（短日照）大豆开花时间，比野生型提高产量 30%—50%。通过功能分析揭示了大豆特异的光周期调控开花的 PHYA(E3E4)-J-E1-FT 遗传网络模型。群体遗传学分析发现，J 基因在适应低纬度大豆品种中至少存在8种功能缺失型等位变异，该研究为大豆在低纬度地区的生产奠定了重要的理论基础。相关研究结果于 2017 年发表在 Nature Genetics[1]。国内外学术期刊 Nature Plants、Chinese Bulletin of Botany 等作了专文评述：“研究结果为大豆热带地区适应性理论的揭示和应用打开了一扇大门”。此研究成果入选了《国家自然科学基金资助项目优秀成果选编（七）》。

百粒重是大豆产量的重要构成因子，受多个遗传位点调控，目前有关大豆百粒重基因的克隆和种子形成的分子机制研究还较少。遗传发育所张劲松和陈受宜究团队与黑龙江省农业科学院满为群和来永才等团队合作，利用全基因组重测序，通过对野生大豆 ZYD7 和栽培大豆 HN44 的重组自交系群体材料进行 QTL 分析，发现一个来源于野生大豆控制大豆百粒重的优势基因Glyma17g33690（PP2C），其作用机制是与油菜素内酯BR信号通路的转录因子（GmBZR1 等）相互作用，通过去磷酸化激活这些转录因子来促进下游控制种子大小的基因表达以提高粒重。群体遗传分析发现，近 40% 的栽培大豆不含 PP2C-1 基因型，该基因型导入到不含该位点的大豆品种中有望进一步提高现有大豆品种产量。相关研究结果于 2017 年发表在 Molecular Plant[2]。中国科学院植物研究所贺超英团队与东北农业大学合作，通过对栽培大豆 SN14 和野大豆 ZYD0006 杂交群体的 QTL 及两个亲本差异表达基因的共定位分析发现，GmWRKY15a 非翻译区中 CT 重复数目的变异影响其表达量，很可能与大豆种子大小及其驯化有关。这一工作首次发现了 WRKY 转录因子参与调控大豆种子大小，为理解大豆驯化过程和机制提供了新的思路。相关研究结果于 2017 年发表在 Journal of Experimental Botany[3]。

大豆叶柄夹角影响冠层结构、光合作用效率，并最终影响产量，是大豆的重要农艺性状之一，但叶柄夹角的调控机制尚不明确。东北地理所冯献忠团队与中国农业科学院和美国普渡大学研究团队合作，通过分析大豆叶柄夹角增大的 gmilpa1 突变体，鉴定了控制大豆叶柄夹角的 GmILPA1 基因。该基因编码 APC8-like 蛋白，并通过与 GmAPC13a 互作形成复合体来行使功能。研究还发现，GmILPA1 基因主要在叶原基基部细胞表达，可能是通过促进细胞增殖及分化以控制叶枕形态。相关研究结果于 2017 年发表在 Plant Physiology[4]。

大豆是重要的油料作物，种子油脂含量是大豆最重要的品质性状之一。驯化过程中的人工选择使大豆种子中油脂含量不断提高。遗传发育所田志喜团队和中国科学院昆明动物研究所王文团队联合攻关，对 302 份代表性大豆种质进行了深度重测序和基因组分析，在驯化阶段鉴定出 121 个强选择信号，在品种改良阶段鉴定出 109 个强选择信号，进一步分析发现至少 96 个选择信号和油相关的性状有关，说明大豆产油性状受到强烈人工选择，形成复杂的网络系统共同调控油的代谢，从而引起了不同种质油相关性状的变异。该研究还定位了一些重要农艺性状的分子模块，如控制花周期的 E1，控制生长习性的 Dt1，控制绒毛颜色的 T 等，为大豆重要农艺性状调控网络的研究奠定了重要基础。相关研究 2015 年发表于 Nature Biotechnology[5]。此研究成果入选了2016年出版的《国家自然科学基金资助项目优秀成果选编（六）》。遗传发育所张劲松和陈受宜团队通过转录组分析，构建了大豆籽粒油分的基因共表达网络，从中鉴定出油脂快速合成时期种子偏好表达的转录因子 GmZF351，其编码串联 CCCH 锌指蛋白。功能分析发现，过表达 GmZF351 能够显著提高转基因拟南芥和大豆种子的油脂含量。群体遗传分析发现，GmZF351 在驯化中受到人工选择，其单倍体型来自于野生大豆 III 型，与高基因表达量、启动子活性和油脂含量相关联。该研究对提高大豆品质和价值具有重要意义，相关研究于 2017 年发表在 Plant Physilogy[6]。

此外，通过“分子模块设计育种创新体系”先导专项，还定位了一批与开花期和分枝相关的分子模块，如 QNE1、qFT12-1、TMS22 等。另外，还在豆科特异丢失基因、重要基因家族进化上取得了一些重要进展[7-13]，探讨了它们在大豆驯化过程中的作用，为后续大豆分子模块挖掘和设计育种奠定了理论基础。

2.2 大豆重要性状分子模块耦合效应

不同复杂性状间的耦合是分子设计育种的关键科学问题。产量、品质等性状大都是多基因控制的复杂性状，由于受到一因多效和遗传连锁累赘的影响，一些性状在不同材料和育种后代中协同变化，呈现出耦合性相关。解析复杂性状间耦合的遗传调控网络，明确关键调控单元，对分子设计育种具有重要意义。遗传发育所田志喜团队联合该所王国栋、朱保葛以及华盛顿州立大学张志武等多家团队对 809 份大豆栽培材料的 84 个产量和品质性状进行了连续多年多点的观测，发现不同性状间呈现不同程度的相关性。进而，利用全基因组关联分析对 84 个性状的调控位点进行了系统的全基因组扫描，鉴定出 245 个显著性关联位点。关联位点间的连锁不平衡分析显示其中 115 个关联位点可相互连锁，形成复杂的多性状多位点调控网络，这些位点将所观测的 51 个性状连结起来，很好地解释了不同性状间的耦合关系。在该调控网络中，23 个关联位点发挥重要节点作用，对不同性状的形成起到了关键调控作用。该研究为大豆的分子设计育种提供了重要的理论基础，对于提高大豆的品质和产量具有非常重要的意义。相关研究于 2017 年发表在Genome Biology[14]。

2.3 大豆初级分子模块新品种培育

四粒荚分子模块 ln 可提高大豆单荚粒数，目前已广泛应用于东北地区大豆高产品种培育，而在黄淮海地区夏大豆主产区应用较少。遗传发育所朱保葛和田志喜团队通过将四粒荚优异等位变异 ln-C（分子模块）导入不含该模块的大面积主推底盘品种“中黄 13” 和“科豆 1 号”中， 培育出 5 个四粒荚比例和产量都明显增加的夏大豆新品系和新品种，如“科豆 15”“科豆 16”“科豆 17”“科豆 18 ”“科豆 30”。通过在安徽宿州、淮北和河南西华等地多年不同种植规模的鉴定结果表明，这 5 个新品系（种）的实收每公顷产量分别达到 3 105.0 公斤、2 965.2 公斤、3 141.0 公斤、3 000.5 公斤和 3 034.5 公斤，较当地主栽品种（即各自底盘品种）分别增产 9.3%、7.83%、10.6%、8.24% 和 8.62%（四粒荚比例增幅范围 15.2%—21.47%），这些材料正在参加国家或省级区域试验，其中“科豆 17”新品种 2017 年完成了河南省区试和生试全部程序，于 2018 年 3 月 13 日经河南省农作物品种审定委员会审定通过，该品种两年区试平均公顷产量 3 215.55 公斤，比对照品种“豫豆 22”平均增产 5.07%；一年生产试验公顷产量 3 034.8 公斤，比对照“豫豆 22”增产 6.11%。该品种已转让给安徽永民种业公司开发经营，并申请安徽省引种备案，目前在黄淮海主产区两个夏大豆种植面积最大的省份——安徽省和河南省已示范推广 1 万亩以上，正在迅速扩大应用。

黑龙江作为我国大豆主产省份，在生产上存在早熟、中早熟品种单产低且稳定性较差等问题。在“分子模块设计育种创新体系”先导专项支持下，东北地理所刘宝辉和孔凡江团队结合分子模块育种理念，通过将早熟模块 e1-as 导入底盘品种中，选育了中早熟、高油、高光效、高产品种“东生 77”，早熟、高油、高产品种“东生 78”和高油高产品种“东生 79”。“东生 77”于 2015 年 5 月通过黑龙江省农作物品种审定委员会审定，平均每公顷产量为 3 226.3 公斤，较对照品种绥农 26 增产 7.3%，累计示范推广面积 78 万亩，增加经济效益 2 511 万元，适宜于黑龙江省所在的第二积温带种植。“东生 78”于 2017 年 1 月通过黑龙江省农作物品种审定委员会审定，比对照品种“合丰 50”平均增产 10.2%，累计示范推广面积 2.5 万亩，增加经济效益 93.7 万元。“东生 79”于 2018 年 1 月通过黑龙江省农作物品种审定委员会大豆专业委员会审定，两年区域试验和生产示范试验平均脂肪含量 24.16%，是黑龙江省1966 年以来育成的 485 个品种中含油量第一个突破 24%的品种。

3 大豆分子模块设计育种未来展望

3.1 大豆发展短板分析

（1）大豆单产未有突破进展，显著低于其他主要作物。随着育种技术的发展，我国作物单产都有了不同程度的提高。美国农业部（USDA）统计结果显示③USDA. https://apps.fas.usda.gov/psdonline/app/index.html#/app/advQuery.，自20世纪 60 年代至今，全球小麦、玉米和水稻单产都有了质的提高。小麦平均单产从 40—50 公斤/亩提高到了约 350 公斤/亩，水稻从 130 公斤/亩左右提高到约 440 公斤/亩，玉米从 80 公斤/亩左右提高到约 400 公斤/亩。然而，大豆单产相对增长缓慢，目前平均单产仅约 120 公斤/亩。

（2）基础平台建设落后，制约大豆科技创新的长远发展。目前，国外已经建立了若干与大豆相关的数据库，这些数据库整合了大豆基础研究的不同类型成果，例如 NCBI、Phytozome、SoyBase、SoyKB、Soy-TFKB、SoyDB 等。尤为重要的是，USDA 建立了完全免费共享的种质资源数据库，其中涵盖了所收集到的世界各地的大豆种质资源、一系列的重组自交系、单片段替换系，多年多点的系统性状考察及遗传分析结果。这些数据库的建立不仅最大限度地方便了其国内相关科学研究，更重要的是通过数据整合得到了一系列的综合信息，在促进科学研究与生产实践相结合的同时，避免了一些重复性的工作。我国拥有世界上最为丰富的大豆种质资源，大豆基础科学研究也正在逐步赶超国际水平，然而，我们在数据共享方面与国外仍存在较大差距。

（3）大豆研发经费投入低于其他主粮作物。总体上看，大豆研究水平总体低于其他主要作物。我国对大豆研发经费投入较少，是制约我国大豆科技创新的重要原因之一。对近 10 年国家自然科学基金委员会在水稻、小麦、玉米、大豆 4 种主要作物研究的资助金额统计表明，水稻获得资助 17.65 亿元，是资助金额最多的作物，明显高于其他作物；玉米和小麦的资助金额接近，分别为 9.23 亿元和 8.52 亿元；大豆的资助金额最少，为 4.61 亿元，仅为水稻资助金额的 26%。对 2016—2017 年国家重点研发计划中“农林科技”类项目的资助统计表明，水稻的资助项目数量最多，共获得 9 项资助，合计资助金额为 4.05 亿元；其次为小麦，共 8 项，金额为 2.85 亿元；玉米和大豆的资助项目均为 4 项，但大豆的资助金额最少，仅为 0.89 亿元。

3.2 大豆生产未来趋势

（1）我国大豆需求持续增加，缺口逐步加大。随着人口的持续增长，城镇化建设的进一步推进，优良耕地的不断减少和膳食结构的不断升级，我国对粮食的刚性需求还将持续增加。如果我国大豆生产不能实现突破性进展，那么在未来相当长的一段时间内，我国的大豆消费还将依赖进口，并且进口量还将继续增加。咨询公司High Quest Partners 预测④Global AgInvesting. Key Fundamentals driving investor interest in global agriculture. https://www.craaq.qc.ca/documents/files/Evenements/EPER1401/04_Laperouse_Philippe_ang.pdf.，到 2020 年左右，世界大豆年产量需再增加 1 亿吨才能满足全球需求，而我国大豆消费量将占全球总产量的 1/3。

（2）增强大豆生产能力是解决我国大豆需求的根本途径。目前，我国的进口大豆主要来源于巴西、美国和阿根廷。然而，巴西和阿根廷的大豆种子基本来源于美国种业，所以从某种意义上讲，我国大豆进口 90% 以上受控于美国种业，这极大地影响了我国的大豆产业乃至粮食安全。一方面，大豆高进口比例会导致我国食物结构和供给的不稳定。我国进口大豆主要用于榨油和生产豆粕。豆粕在饲料生产原材料中所占的比例在 25% 左右，进口大豆会影响 38 000 多万吨饲料生产，进而影响近亿吨肉类生产。一旦国际形势变化影响到大豆进口，国内消费者对肉蛋油奶的需求必然得不到满足。另一方面，大豆定价权完全掌控于国外。历史上已有若干次因为大豆产量变化导致大豆价格剧烈波动的情况，最明显的包括2003—2004 年、2006—2008 年、2010—2012 年的大豆减产（甚至包括预期减产）。几次产量变化都致使大豆价格在短期内飙升 1—3 倍。

综合而言，我国大豆目前的主要问题在于粮食生产能力不足与我国粮食总需求之间的矛盾。从长远发展来看，增强大豆生产能力，是解决我国大豆需求、保障国家粮食安全的根本途径。

3.3 大豆科技未来展望

（1）开展高产突破性技术研究，实现大豆“绿色革命”。单产低是我国大豆面临的最大困境，所以提高大豆单产是扭转我国大豆被动局面的首要任务。在过去几十年中，水稻、小麦、玉米等作物单产的提高很大程度上得益于半矮秆基因和杂种优势等“绿色革命”技术的突破。对于大豆而言，虽然育种学家在过去的育种过程中针对一些性状进行了改良，单产有了一定的提高，但尚未形成突破性技术，大豆单产并未实现质的提高。未来我们应大胆开拓创新思维，开展大豆超高产的分子基础和育种技术研究，创制革命性品种，实现大豆的“绿色革命”。

（2）开展大豆耐逆适应性研究，增加大豆种植面积。耕地面积是保障粮食生产的首要因素，除了 18 亿亩红线耕地外，我国还有 11.7 亿亩的盐碱、滩涂、高寒、高旱等边际土地可改造使用，这为我国大豆发展提供了新方向。此外，通过开拓新的海外大豆市场，如非洲、拉美等，丰富大豆进口来源地，也是解决我国大豆进口渠道单一的重要途径之一。这些都需要加强大豆耐逆适应性（如抗旱、耐盐碱、广适性等）研究，从而拓展大豆种植区域，增加大豆生产能力。

（3）研发豆粕替代饲料，以缓解大豆缺口对下游产业的冲击和影响。豆粕饲料是我国大豆的最主要用途，我们应加大豆粕替代饲料研发，以解决大豆缺口对下游产业的冲击和影响。近年来我国饲草产业快速发展，可在一定范围内替代豆粕，如苜蓿、甜高粱、棉籽粕、菜籽粕等。但是，目前这些替代品还需要添加别的产品，并进行合理搭配，才能取得好的效果。饲用大豆虽然已展现了很好的应用前景，但其相应的品种还很少，且配套技术匮乏。加强饲用大豆选育，并及时应用于畜牧生产，也是解决我国大豆缺口的重要途径之一。

（4）加快分子设计育种创新体系建设，赶超国外大豆生产。科学技术是第一生产力。随着分子生物学、基因组学、系统生物学、合成生物学等学科的快速发展和生物技术的不断进步，多学科联合催生的分子设计育种技术是现代育种一次新的变革，使得我们和国际处于一个相对接近的新起跑线。因此，分子设计育种创新体系建设为我国育种技术发展带来了新的机遇。抓住机遇，加快分子设计育种创新体系建设，将引领大豆育种实现跨越式发展，从而有机会赶超国外大豆生产。

（5）推动人工智能育种技术的发展，引领大豆育种技术的创新。人工智能为未来育种技术的革新提供了巨大的契机，也成为我国引领国际大豆育种技术创新的一个新机遇。通过三维大豆形态模拟重建表型关联基因组学，将实现计算机数字化模拟基因不同组合方式下的植株表型特征，这将会带来育种技术的新变革。实现人工智能育种方案的设计，将极大推动我国由传统育种及分子设计辅助育种向人工智能育种的转变，可以针对不同区域智能培育高产、优质、多抗品种。同时，人工智能育种系统的高效性，能够极大加速新品种培育的速度。人工智能育种技术的理论和技术体系的建立，将使我国处于国际育种技术的前列。

（6）加大种质资源的系统评价、挖掘利用、创制与共享。大力开展种质资源研究与创新，开展我国特有野生资源的基因组、表型组分析，构建大豆育种核心资源数据库，分析大豆优异亲本形成的系谱特征及其遗传演变规律，深入解析大豆的起源与进化路径，为大豆发展奠定基础材料。

（7）推动自主性整合公共数据库建设，健全数据共享机制。整合各种组学数据，建立系统的整合型公共数据库，实现公共数据库实时性、系统性、高效性、共享性，为功能基因组和种质创新奠定基础。

（8）组建大豆创新国家实验室。以国家重大需求为导向，整合目前各机构的优势力量，完善大豆科技创新链的研发布局。通过国家实验室的建设和人才培养，进一步提高我国大豆科技原始创新能力，实现大豆产业的高质量发展。