轮作和连作下大豆产量性状的QTL分析

王 楠，袁宝琪，刘文博，姚兴东，于翠梅，谢甫绨

（沈阳农业大学农学院，沈阳 110161）

大豆[

Glycine max

(L.)Merr.]是我国主要农作物之一，为国民提供丰富的蛋白质和油脂。但我国大豆种植面积有限，总产量偏低，供给严重不足，85%的大豆需要进口，因此提高我国大豆产量的研究势在必行。1924~2010年，美国大豆产量以每年21kg·hm的线性速度稳步增长，大约2/3的增长是遗传改良的结果。因此，通过遗传改良增加大豆生产潜力是改变我国大豆供需矛盾，提高我国大豆产量的有效手段。传统育种通常通过从高产亲本杂交的子代中选择优良品系来提高大豆产量，但这可能导致增产基因的缺失、遗传基础和遗传多样性的下降，从而影响大豆产量的遗传改良。伴随近年来分子标记技术的高速发展，利用基因定位及分子标记辅助育种技术进行准确高效选择性状，极大地提高了育种效率。

大豆产量性状是由多基因调控的数量性状，包括百粒重、单株荚数、单株粒数等性状。在SoyBase数据库中，有近150个大豆产量相关的QTL从20多个分离群体被检测到，分布在18个连锁群，大部分集中于C2、M、K、G等连锁群。其中，部分QTL位点在不同群体中被检测，且处于相同或相邻位置，说明这些QTL是稳定的QTL，可以被进一步利用进行分子辅助标记育种。但很多产量QTL位点受环境的影响比较大，只能在部分条件下表达。因此，大豆产量QTL定位的相关研究还需要更多的群体进行深度的研究和证实。

大豆连作是我国农业集约化生产的一种普遍现象，但连作会导致大豆植株对资源利用的下降和产量的降低。不同基因型的大豆品种对连作的耐受性不同。因此，在连作条件下进行大豆产量及产量相关性状研究和产量相关性状的QTL研究，对我国大豆产量的遗传改良有重要意义。本研究以耐连作辽豆14和不耐连作铁豆46为亲本，采用单粒传构建F代重组自交系。在轮作和连作条件下进行产量相关性状的QTL定位，研究结果将为大豆产量相关性状的定位、大豆耐连作基因的检测与发掘及分子标记辅助育种提供重要的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

以耐连作辽豆14为母本,不耐连作铁豆46为父本，采用单粒传构建F代重组自交系，至2017年得到F世代，2018年得到F世代（共138个株系）。耐连作辽豆14和不耐连作铁豆46的产量相关性状存在明显的差异（表1）。本试验于2017~2018年在沈阳农业大学试验田进行，设置轮作和连作两种方式。土壤类型为棕壤土，连作土壤指标为：有机质含量11.16g·kg，全氮含量1252.43g·kg，有效磷含量36.3g·kg，速效钾含量150.62g·kg；轮作土壤指标为：有机质含量11.6g·kg，全氮含量1300.27g·kg，有效磷含量39.56g·kg，速效钾含量160.32g·kg。

表1 大豆重组自交系群体亲本的性状
Table 1 Traits of parents of soybean recombinant inbred lines

?

1.2 方法

试验设置轮作和连作两种方式，将试验材料分别种植于相应的连作试验田和轮作试验田，每小区4行，行长2m，行距60cm，种植密度为1.5×10株·hm，每处理设3次重复，进行常规播种与常规田间管理。在大豆苗期将植株的新鲜叶片取样作为试验材料，采用CTAB提取方法提DNA。根据大豆数据库SoyBase（http：//www.soybase.org/）及大豆公共图谱进行SSR引物的选择，挑选出在大豆20条染色体上分布较为均匀的SSR引物序列420对，由华大生物技术有限公司进行合成，按照引物特异性进行PCR扩增及检测，并对检测结果进行记录和统计分析。对于共显性的SSR标记，根据其特点及扩增的电泳结果，将与母本SSR标记带型相同的记录为“A”，与父本SSR标记带型相同的记录为“B”，杂合的带型记为“H”，缺失或模糊不清的带型记为“-”，对所得数据进行统计及分析。

2017年10月和2018年10月收获，选取小区中心2行密度一致、长势均匀的连续5株大豆植株进行相关指标测定（结荚高度、主茎节数、株高、主茎荚数、1粒荚数、2粒荚数、4粒荚数、百粒重和单株粒重）。通过对辽豆14和铁豆46两亲本的数据统计分析，发现其在株高、主茎节数、结荚高度、主茎荚数、1粒荚数、2粒荚数、4粒荚数、百粒重和单株粒重等9个产量相关性状间呈显著或极显著分布。因此对RIL群体的主茎荚数、1粒荚数、2粒荚数、4粒荚数、百粒重和单株粒重等性状进行了基因定位。

2 结果与分析

2.1 轮作和连作下大豆群体产量性状表型数据分析

由表2可知，亲本中的主茎荚数、1粒荚数、2粒荚数、4粒荚数、百粒重和单株粒重都显示出显著差异。群体中的主茎荚数、1粒荚数、2粒荚数、4粒荚数、百粒重和单株粒重在连作条件和轮作条件下都能比较出明显的数量遗传特征，符合正态分布，根据结果显示可以进行QTL定位分析。

表2 辽豆14×铁豆46杂交组合RIL群体2年表型变异特征值
Table 2 Phenotypic traits for RIL population between Liaodou14 and Tiedou 46

?

2.2 轮作和连作下大豆产量相关性状的QTL分析

由表3可知，在不同栽培模式下，2年期间共检测到34个不同性状的QTL。其中，在轮作和连作栽培方式下，共检查到4个主茎荚数QTL（连作栽培方式下检测到1个QTL性状，轮作栽培方式下检测到3个QTL性状）。在轮作栽培方式下，检测到19个不同性状的QTL；在连作栽培方式下检测到23个不同性状的QTL。

表3 轮作和连作下大豆产量相关性状QTL
Table 3 QTL associated with soybean yield-related traits in rotation and continuous cropping systems

?

2.2.1 大豆主茎荚数的QTL分析 鉴定得到大豆主茎荚数QTL性状4个。在2017年连作种植群体中，检测到1个QTL，命名为

qPms-O-1

。在2017年轮作种植群体中检测到3个主茎荚数QTL，分别是

qPms-D1b-1

、

qPms-J-1

和

qPms-J-2

，分别位于D1b染色体和J染色体。其中LOD值分别为2.61，2.50，3.55。贡献率分别为16.54%、13.28%和14.40%。加性效应分别为14.26，4.61，5.39。2.2.2 大豆1粒荚数的QTL分析 鉴定得到大豆1粒荚数QTL性状7个。2017年在连作种植群体中，检测到1个QTL，命名为

qOspn-N-1

，LOD值为5.42。2017年在轮作种植群体中，检测到2个QTL，分别命名为

qOspn-D1b-2

和

qOspn-D1b-3

，均位于D1b染色体上，LOD值分别为6.74和4.13，贡献率分别为7.77%和34.54%。2018年在连作种植群体中共检测到6个1粒荚数QTL，分别位于D1b、I和N染色体上，其中N染色体上的

qOspn-N-1

贡献率最低（6.2%），LOD值为7.66，加性效应为9.54。

qOspn-N-1

和

qOspn-D1b-3

在2017年连作种植群体中已经被检测到1次。2018年在轮作种植群体中，检测到唯一的1个1粒荚数QTL，命名为

qOspn-D1b-

3

，与2018年连作种植群体中检测到的其中1个重复，位于D1b染色体的Satt135~Satt141标记之间。2.2.3 大豆2粒荚数的QTL分析 鉴定得到大豆2粒荚数QTL性状7个。2017年在连作种植群体中，检测到3个QTL，分别位于3个不同的染色体上，LOD值最大达5.70，贡献率最大达9.58%，加性效应最大达12.05。2017年在轮作种植群体中，检测到4个QTL，其中有3个位于D1b染色体上，LOD值最大达10.04，贡献率最大达15.01%。2018年在连作种植群体中，共检测到2个2粒荚数QTL，分别位于D1b和I染色体上，命名为

qTspn-D1b-3

和

qTspn-I-1

。2018年在轮作种植群体中，检测到1个2粒荚数QTL，是位于D1b染色体上的

qTspn-D1b-3

，该QTL位点2017年在轮作种植群体和2018年在连作种植群体中均被检测到。2.2.4 大豆4粒荚数的QTL分析 鉴定得到大豆4粒荚数QTL 6个，分别位于4个不同的染色体上。在I染色体上检测到2个QTL，命名为

qFspn-I-1

和

qFspn-I-2

。在D1a染色体上检测到2个QTL，命名为

qFspn-D1a-1

和

qFspn-D1a-2

。2018年在连作种植群体中检测到3个QTL，LOD值最大达4.41，贡献率最大达35.03%，加性效应最大为10.47。2018年在轮作种植群体中检测到2个QTL，其中

qFspn-D1b-1

的LOD值（3.87）、贡献率（30.05%）和加性效应（5.77）均较高。2.2.5 大豆百粒重的QTL分析 鉴定得到大豆百粒重QTL 2个。分别是2017年在连作种植群体中检测到的

qSW-D2-1

,位于D2染色体上；2018年在连作种植群体中检测到

qSW-D1a-1

,位于D1a染色体上。2.2.6 大豆单株粒重的QTL分析 鉴定得到大豆单株粒重QTL 5个。2017年在连作种植群体中发现1个单株粒重QTL。2017年在轮作种植群体中检测到2个单株粒重QTL（

qSwpp-D1b-1

和

qSwpp-J-1

），分别在D1b和J染色体上，LOD值分别为2.71和2.64，贡献率分别为24.86%和13.60%，加性效应分别为11.95和3.61。2018年在连作种植群体中检测到

qSwpp-N-2

。2018年在轮作种植群体中检测到

qSwpp-I-1

。2.2.7 大豆耐连作基因的QTL分析 在2017年连作种植群体中，检测到大豆减产率QTL

qYr-H-1

，位于H染色体的Satt293~Satt181标记之间，物理距离为90.35，LOD值为2.71，贡献率为8.96%。2018年在轮作种植群体中，再次检测到

qYr-H-1

，但LOD值和贡献率与2017年在连作种植群体中均不同。另外，还检测到1个位于I染色体的QTL，命名为

qYr-I-1

。

3 讨论与结论

通过QTL定位结果证明，亲本各性状差异显著，子代各性状变异幅度大，为QTL定位奠定基础。部分性状显著相关，可能存在一因多效QTL。研究结果共确定4个主茎荚数QTL，其中3个主茎荚数QTL分别位于不同的染色体上，7个控制1粒荚数的QTL，在I染色体和N染色体上分别检测到2个1粒荚数QTL。7个控制2粒荚数的QTL，在F、G、N、D1b和I共5个不同的染色体上均同时检测到了2粒荚数QTL。D1a染色体上定位到2个4粒荚数QTL(

qFspn-D1a-1

和

qFspn-D1a-2

),QTL区间与其定位的区间并不完全重合。1粒荚数QTL有3个被重复检测到，分别为

qOspn-D1b-1

、

qOspn-N-1

和

qOspn-D1b-3

，其中

qOspn-D1b-3

分别在2017年轮作种植群体中和2018年连作群体中被检测到。2粒荚数QTL有2个被重复检测到，分别为

qTspn-D1b-2

和

qTspn-D1b-3

。其中

qTspn-D1b-3

分别在2017年轮作种植群体中，2018年连作群体中和2018年轮作群体中被检测到，一共被检测到3次。在不同的种植条件下，一些产量相关性状QTL在2017年和2018年均被检测到，可以证明实验结果数据可信度较高，可以在不同的种植条件下进行持续且稳定的表达。在轮作和连作条件下，有6个QTL均被反复检测到，说明这些产量相关性状QTL在轮作和连作的条件下均能持续稳定的表达。一些QTL耐环境变化，但是不耐栽培方式变化，是单一栽培条件下可稳定表达的QTL，可在理想的栽培方式中加以利用。一些QTL耐栽培方式变化，但是不耐环境变化，是耐连作但是不稳定表达的QTL，具体影响稳定表达的因素有待进一步研究。既耐连作又耐环境的QTL最重要，可能存在稳定表达的耐连作基因，具有重要的利用价值，可以进一步精细定位以期发掘重点基因。连作是大豆种植不可避免的现象，因此研究产量性状QTL在连作条件下的表现，对于育种具有重要意义。本研究中的

qOspn-D1b-3

、

qOspn-D1b-1

、

qTspn-D1b-2

、

qTspn-D1b-3

、

qFspn-I-1

和

qYr-H-1

的QTL在轮作和连作栽培方式下均可以被重复检测到，说明这些QTL在轮作和连作栽培方式下均能持续稳定的表达，不受连作影响。但有些QTL在轮作下可以检查到，但在连作下检测不到，其机制有待于进一步研究。同时，以连作减产率为指标，进行了耐连作基因定位，鉴定到2个QTL，其中，

qYr-H-1

可以被重复检测到，说明其是稳定的QTL。应用耐连作辽豆14和不耐连作铁豆46杂交，采用单粒传构建F代重组自交系后的F和F世代材料，在轮作和连作栽培方式下进行产量相关性状的QTL定位，一共鉴定到34个QTL，其中轮作栽培条件下鉴定得出19个QTL，连作栽培条件下下鉴定得出23个QTL。有6个QTL在轮作和连作情况下被重复检测到，并发现2个耐连作QTL，分别是

qYr-H-1

和

qYr-I-1

，其中

qYr-H-1

被重复检测到。本研究结果将为耐连作大豆育种提供理论依据。