菜豆凝集素含量性状的遗传研究

任三国 陈伟达 邵景杰 卢 爽 陈 高 陈禅友

〔江汉大学生命科学学院，湖北省豆类（蔬菜）植物工程技术研究中心，湖北武汉 430056〕

菜 豆（Phaseolus vulgarisLinn）（2n=2x=22）属于豆科（Leguminosa）菜豆属，是世界性栽培作物。我国菜豆种质资源丰富，是菜豆种植和消费大国。按食用器官不同，菜豆可分为粒用菜豆和食荚菜豆两种类型（Bin et al.，2016）。我国以栽培食荚菜豆作为蔬菜食用为主，其蛋白质含量高，富含多种矿物质等营养元素，且风味口感好，是人们喜食的主要蔬菜之一。但由于菜豆商品荚中存在内源致毒物质，因不当食用而导致的中毒事件时有发生（杨帆，2015）。

研究发现，菜豆食用部分存在内源抗营养因子，如植酸（Canellas &Olivares，2014）、植物凝集 素（PHA）（Weder et al.，1997；Vasconcelos &Oliveira，2004）、胰蛋白酶抑制剂（Bezerra et al.，2017）和皂苷（Couto et al.，2014；冯国军和刘大军，2016）等，其中PHA 是重要的植物抗营养因子，也是引起菜豆食物中毒的主要化学成分。前人对菜豆植物凝集素的含量分析和凝血活性等研究均有报道，李笑梅和韩春然（2009）通过对8 个菜豆品种凝血活性的定量分析，指出菜豆毒性存在基因型差异和栽培季节差异；尚蕊等（2015）和任三国等（2016，2017）报道了233 份菜豆自然群体凝集素含量水平信息，且筛选出了一批凝集素含量差异很大的核心种质材料；金雯燕等（2016）和刘芳尘等（2017）对凝集素抑制肿瘤细胞增殖进行了应用探究；马艳芳（2018）探究了红芸豆凝集素对小鼠学习记忆和情绪相关神经行为的影响。要实现菜豆低凝集素水平的种质创新和品种选育目标，首先需要明确该性状的遗传规律，然而菜豆凝集素水平性状遗传研究鲜见报道。

本试验在前期对233 份食荚菜豆商品成熟荚PHA 含量性状检测的基础上，选取6 个不同PHA水平的品种，人工杂交配制了4 个组合，通过杂种后代培育程序构建了F1和F2遗传群体，同期进行田间试验，检测所有亲本、F1和F2群体单株商品荚的PHA 含量，进行杂种后代该性状的显性度测定、方差分析、分离谱展示和广义遗传力估算等，旨在从理论上揭示菜豆PHA 含量性状的遗传特性。此外，依据育种目标，在F2群体分离出的重组体中筛选出低PHA 兼具优良农艺性状的单株，为低PHA含量菜豆的种质创新和遗传改良奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验在前期开展菜豆种质资源PHA 含量分析的基础上进行菜豆PHA 含量遗传研究，选取了2 个PHA 含量较高的种质SJ-0051 和SJ-0053，以及2 个PHA 含量较低的种质SJ-0119 和SJ-0206进行杂交配组，同时选取2 个综合农艺性状（荚长、荚宽、单荚质量、单株荚数等）优良但PHA 含量中等的材料SJ-0009 和SJ-0021 作母本，以PHA含量较低的SJ-0119 和SJ-0206 作父本，配制杂交组合，并通过杂交后代培育程序，构建亲本及其杂交后代遗传群体。亲本材料的基本信息见表1。

表1 供试亲本材料的来源与特征

1.2 田间试验与检测方法

田间试验在江汉大学湖北省豆类（蔬菜）植物工程技术研究中心基地进行，试验地土壤肥力均匀一致，栽培管理按常规技术进行。2017年春季种植6 个亲本，共配制4 个杂交组合，分别为SJ-0053 × SJ-0119、SJ-0051 × SJ-0206、SJ-0009 × SJ-0206和SJ-0021 × SJ-0119，编号为杂交组合1、2、3、4，分别收获F1种子。2018年春季种植部分F1种子，自交得到F2群体。2019年春季种植各亲本群体（30株）、F1群体和F2群体，从各遗传群体中分单株采摘商品荚（开花后15 d），田间分别收取各单株成熟商品荚12 个，室内取荚中部小段，研磨成浆，用磷酸盐缓冲液（PBS）抽提PHA，进行单株豆荚PHA 含量测定，采用改良的酶标仪凝血吸光度方法（任三国 等，2016），重复3 次。

1.3 数据分析

亲本及杂交后代田间试验中检测的菜豆商品荚PHA 含量数据，采用单向方差分析进行F检验。

F1遗传的显性度按如下公式计算：hp=2|（F1-Mp）|/（P1-P2），其中hp表示显性度；Mp表示两亲本群体中亲值，F1表示群体PHA 含量，P1和P2表示亲本群体PHA 含量（裴新澍，2000）。

将F2分离出的PHA 含量极低的菜豆重组体单株，结合单株荚数和单荚质量等重要农艺性状表现值，对其进行综合评分和株选。

试验数据运用DPS 软件和Excel 软件在计算机上进行运算。

2 结果与分析

2.1 菜豆杂交F1 PHA 含量的数据特征和遗特性传

对亲本及其F1植株商品荚进行PHA 含量测定，结果显示（表2），3 个菜豆杂交组合的F1商品荚PHA 含量均值介于2 个杂交亲本的均值之间，其中杂交组合1 和杂交组合2 低于中亲值，表现为小亲本不完全显性遗传；杂交组合4 的F1商品荚PHA 含量高于中亲值，表现为大亲本不完全显性遗传；而杂交组合3 的F1商品荚PHA 含量高于大亲本，表现为超显性遗传。

表2 菜豆F1 基于PHA 含量的遗传分析

2.2 菜豆F2 群体的PHA 水平检测及其遗传分离特性

2.2.1 菜豆F2单株和群体的PHA 含量测定结果及其变异分析 4 个F2群体中PHA 含量测定的单株数量分别为68、73、215、281 株。从表3 可以看出，各群体分离谱较广，且均分离出PHA 含量高于大亲本（高PHA 含量亲本）的单株（组合1～4单株数量分别为6、1、6、26 株）和低于小亲本（低PHA 含量亲本）的单株（组合1～4 单株数量分别为39、68、88、141 株），又以低于小亲本的单株数量居多，导致群体的PHA 含量均值都小于中亲值，大量重组体分布于中亲值的偏低一侧。

表3 菜豆F2 群体PHA 含量变异分析

从表3 还可以看出，不同组合F2群体的变异系数差别很大，说明不同基因型杂交后分离程度存在明显差异。

2.2.2 菜豆F2群体方差及遗传力分析 在测定了4个杂交组合F2群体各单株PHA 含量的基础上，对PHA 含量依组合进行方差分析。结果表明（表4），各组合F2群体内单株间（处理间）PHA 水平差异极显著（P＜0.01），F值较大，也说明F2的PHA含量性状发生了极显著分离。此外，基于PHA 含量的性状广义遗传力估计结果均达到了95%以上（表5），说明菜豆商品荚中PHA 含量主要取决于基因型效应，即相关控制基因在该性状决定中起重要作用，环境起修饰作用。

表4 菜豆F2 群体PHA 含量的方差分析

表5 4 个菜豆杂交组合PHA 广义遗传力估计

2.2.3 菜豆F2PHA 含量的单株频率分布 根据F2群体内单株PHA 含量的测定结果，依组合分析F2群体单株频率分布，并绘制分布曲线（图1、2）。由图1、2 可知，4 个F2群体PHA 含量的单株频率均呈现出连续分布的特点，其中杂交组合1、杂交组合2 和杂交组合4 的峰值均明显低于小亲本（即对应的低PHA 含量的亲本），杂交组合3 的峰值在小亲本附近。前述的杂交组合1、杂交组合2 和杂交组合4 的F2群体中PHA 含量低于小亲本的单株比例很高，此处表现为分布曲线的主峰偏离。分布曲线还表明存在两尾单株分布频率，为筛选极低（高）PHA 含量重组体奠定了理论基础和种质创新机会。

2.2.4 菜豆PHA 性状遗传研究的育种应用 通过以上分析，筛选到F2分离出的PHA 含量极低的菜豆重组体单株，其中一些单株PHA 含量明显低于现有品种的PHA 含量，再结合单株荚数和单荚质量等重要农艺性状表现值，对其进行综合评分和株选。通过综合评分，筛选出6 个性状表现优良的重组体（表6），PHA 含量明显低于现有品种且兼具优良农艺性状。

表6 菜豆F2 中优良重组单株性状表现值及其综合评分

3 讨论与结论

植物作为人类重要的食物来源，其食用安全性备受关注。目前已在多种作物中发现了内源毒素物质，比如油料作物油菜中的芥酸和硫代葡萄糖甙（张立实和王瑞淑，1986；李云昌 等，2006），棉花中的棉酚（王利和汪开毓，2002；侯红利和罗宇良，2005），马铃薯中的龙葵素（董晓茹 等，2013；邓孟胜 等，2019），木薯中的亚麻仁苦苷（安飞飞 等，2017），菜豆中的PHA（Weder et al.，1997；Vasconcelos &Oliveira，2004）等。对这些抗营养因子进行遗传改良，从根本上解决潜在的食品安全问题具有重要意义，如育成的双低油菜品种很好地解决了油菜的食品安全性问题（农全东 等，2014）。迄今，菜豆的一些重要农艺性状的遗传研究有所进展（Perez-Vega et al.，2010；Yuste-Lisbona et al.，2014；Vasconcellos et al.，2017；Sandhu et al.，2018），但其PHA 含量的遗传研究鲜见报道。鉴于此，本试验通过人工杂交构建遗传群体和性状定量检测等程序，探索了菜豆PHA 含量的遗传规律。

本试验结果表明，F1群体的单株间PHA 含量变异很小，说明亲本纯合度高，也与菜豆为严格自花授粉植物导致缺乏基因交流和多年保纯繁育密不可分；F1的性状并未呈现出杂种优势或者优势不明显，主要表现为单一亲本不完全显性遗传；亲本的基因型差异对杂交后代优势强度有明显影响。F2的性状发生明显分离，总变异主要是由单株间的变异所决定，环境误差处于次要地位；将F2群体按照PHA 含量高低的单株频率分布绘制曲线，表现出连续性，主峰明显，在两尾极低和极高区域也有单株分布，且分离程度和分布频率均依杂交组合而异。依据亲本、F1及F2在相同栽培环境下该性状表现值进行广义遗传力估算，结果均高于95%。这些都说明菜豆PHA 含量性状表现为数量性状遗传特征，该性状主要是由基因所决定，环境起修饰作用。因此，本试验明晰了菜豆PHA 含量是一个典型的数量性状，这为后续进行QTL 分析等奠定了理论基础，也提供了研究材料。

解决菜豆内源毒素引起的食用安全隐患问题最根本有效的途径在于降低物种自身PHA 等抗营养有害物质生成水平。清除或使菜豆内源毒素失活能避免食用菜豆导致的中毒事件，尤其是群体中毒事件的发生，促进菜豆的生产和消费，也有利于节省高温烹饪带来的能源消耗，并降低CO2环境释放量。因此低PHA 含量菜豆遗传改良是一项非常紧迫的任务，而关键在于种质创新。本试验中，亲本及其配组对F1表现及F2分离等方面有强烈影响，说明在该性状的遗传改良程序中正确选择选配亲本至关重要，需要运用现代生物技术强化对菜豆种质资源的研究和认识；另一方面，本试验所构建的F2群体中有PHA 含量低于小亲本的重组体出现，这为低PHA 含量菜豆种质创新提供了理论依据和技术途径。但是并不是任意的杂交组合都能够实现目标，本试验配制了4 个杂交组合，从2 个F2群体分离出的极低PHA 重组体结合农艺性状综合评分筛选到6 株材料，可作为创新种质材料，供低PHA 含量菜豆新品种选育利用。