分子標(biāo)記在綠豆遺傳連鎖圖譜構(gòu)建和基因定位研究中的作用

權(quán)彪

摘 要：綠豆是一種醫(yī)食兩用的豆類作物，在改善土壤條件和提高農(nóng)戶收入方面有著重要的影響，但是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)于綠豆遺傳學(xué)方面的研究還比較少，分子標(biāo)記作為一種新型的生物技術(shù)研究手段，可以幫助研究綠豆基因組的結(jié)構(gòu)和功能，能夠用于基因定位研究，分子克隆方面等，在綠豆遺傳學(xué)研究中遺傳連鎖圖是重要的研究?jī)?nèi)容，也是微觀層面不可缺少的技術(shù)平臺(tái)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用分子標(biāo)記技術(shù)已經(jīng)成功構(gòu)建了20張以上的綠豆遺傳連鎖圖譜，其中對(duì)綠豆基因組中的抗性基因及具有優(yōu)良性狀控制的基因進(jìn)行精確定位，為綠豆的分子標(biāo)記提供基礎(chǔ)，有利于研究抗性菌株以及優(yōu)良品種的培育。本文通過(guò)對(duì)分子標(biāo)記在綠豆遺傳連鎖圖譜構(gòu)建，以及一些抗性基因、優(yōu)良基因等具有重要功能的基因進(jìn)行精確定位和功能研究，并分析了控制綠豆的農(nóng)藝性狀基因鑒定，為之后對(duì)綠豆全基因組學(xué)分析及優(yōu)良品種培育提供參考。

關(guān)鍵詞：分子標(biāo)記；綠豆；遺傳連鎖；圖譜構(gòu)建；基因定位

綠豆屬于豆科類，豇豆屬，有22條染色體，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值比較高，蛋白質(zhì)含量最高可達(dá)30%以上，是一種高蛋白，低脂肪的食物，理論上來(lái)看是比小麥、水稻的蛋白質(zhì)含量高的。另外，綠豆中還含有多種礦物質(zhì)元素，維生素等微量元素，可以補(bǔ)充人體生命活動(dòng)所需的能力，對(duì)降低血脂、血壓、預(yù)防癌癥等方面都有比較好的保健效果，尤其是其中還含有豐富的鐵元素，一定程度上可以改善人體的貧血癥。除對(duì)人體有直接作用外，綠豆根系中的根瘤菌具有固氮能力，可以改善土壤條件，提高經(jīng)濟(jì)作物的產(chǎn)量，綠豆的生育期比較短，能夠適應(yīng)各種生長(zhǎng)條件，經(jīng)濟(jì)效益高也贏得了越來(lái)越多的社會(huì)關(guān)注。綠豆屬于雜糧作物，從全球種植分布范圍來(lái)看，在發(fā)展中國(guó)家種植的面積比較大，但是相比其他大宗作物，綠豆的功能基因組學(xué)研究卻相對(duì)滯后，由于對(duì)綠豆部分基因功能研究不清楚，也制約了綠豆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，近年來(lái)，人們生活水平提高，注重飲食和膳食結(jié)構(gòu)，不斷調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，在科研方面也加大投入力度，綠豆的全基因組測(cè)序已經(jīng)完成，分子標(biāo)記可以反映綠豆個(gè)體或種群間基因組中某種差異的特異性DNA片段，可進(jìn)行基因定位，運(yùn)用分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)于綠豆基因組學(xué)研究起著重要的作用。

一、綠豆遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建

分子標(biāo)記遺傳連鎖圖譜是染色體進(jìn)行重組交換，并對(duì)其進(jìn)行連鎖分析，根據(jù)染色體上的標(biāo)記進(jìn)行位置排列，在基因組學(xué)研究中這種方法是比較常見(jiàn)的，也可用于分子克隆、特定基因定位、物種演化等研究。迄今為止，實(shí)驗(yàn)室中利用分子標(biāo)記技術(shù)構(gòu)建了20張以上的綠豆遺傳連鎖圖譜，而且隨著分子標(biāo)記技術(shù)的成熟和發(fā)展，在構(gòu)建圖譜的過(guò)程中精確度越來(lái)越高，遺傳圖譜的作圖群體包括回交群體，F(xiàn)2群體等。第一張綠豆遺傳連鎖圖譜是生物學(xué)家利用兩種不同品種的抗豆象和感豆象綠豆進(jìn)行雜交獲得F2群體，這張遺傳連鎖圖譜中有170多個(gè)分子標(biāo)記，平均分布在14個(gè)連鎖群上，后來(lái)N.D.Yong等人以相同的品種雜交獲得多個(gè)F2單株的群體，也構(gòu)建出了一張長(zhǎng)為1300cm左右的綠豆遺傳圖譜。這些遺傳圖譜被用于研究綠豆的基因功能，以及對(duì)特定優(yōu)良性狀控制的基因進(jìn)行精確定位，為今后深入研究綠豆基因組打下基礎(chǔ)。

二、綠豆優(yōu)良基因的精確定位

綠豆在生長(zhǎng)過(guò)程中由于常會(huì)受到病蟲(chóng)害的影響，尤其在儲(chǔ)存使也容易被綠豆象等害蟲(chóng)侵蝕，這對(duì)于綠豆的質(zhì)量和產(chǎn)量都受到了一定的不良影響，過(guò)去在綠豆防止方面主要采用的是化學(xué)方法，通過(guò)施加化肥、農(nóng)藥減少病蟲(chóng)的危害，但是化學(xué)藥劑的使用對(duì)于環(huán)境污染、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、人們的身體健康是極其嚴(yán)重的。為了能夠避免二次污染，減少化學(xué)農(nóng)藥的使用，生物學(xué)家采用了生物防治的方法，培育優(yōu)良的抗性轉(zhuǎn)基因品種，目前這種方式也是最有效，最實(shí)用的措施，如何培育抗性品種和挑選抗性基因成為生物防治的主要問(wèn)題。從遺傳學(xué)的角度出發(fā)，綠豆很多性狀比如：控制產(chǎn)量的，質(zhì)量，抗性方面的表型幾乎都是數(shù)量性狀遺傳，并不是受單個(gè)基因的直接控制，這給綠豆優(yōu)良基因的精確定位的研究帶來(lái)了一定的困難。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，分子標(biāo)記技術(shù)和遺傳連鎖圖譜越來(lái)越被廣泛用于研究基因定位以及作物的遺傳機(jī)理研究。

目前針對(duì)綠豆優(yōu)良基因精確定位的研究比較典型的有綠豆抗豆象遺傳，綠豆抗白粉病，綠豆黃花葉病毒，葉斑病等方面。在綠豆抗豆象遺傳研究中，已經(jīng)經(jīng)過(guò)鑒定的品種共有3份，而且通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明這種控制抗豆象性狀的基因是由多對(duì)主效基因和微效多基因共同調(diào)控的，同時(shí)還受到母性遺傳的影響，對(duì)已發(fā)現(xiàn)的兩份抗豆象栽培株進(jìn)行抗豆象基因連鎖標(biāo)記篩選時(shí)發(fā)現(xiàn)，其抗性基因不等位，利用測(cè)序技術(shù)發(fā)現(xiàn)在抗豆象基因候選區(qū)存在多個(gè)堿基突變的基因，目前這種基因定位已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，利用連鎖標(biāo)記可以實(shí)現(xiàn)打斷抗豆象基因和小子粒，以及低產(chǎn)量等不良性狀的連鎖，有利于抗豆象品種的育種。綠豆抗白粉病的基因是根據(jù)研究材料的不同，基因定位也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，目前針對(duì)其抗性遺傳機(jī)制研究和基因位點(diǎn)分析報(bào)道比較多，主要也是采用分子標(biāo)記手段找到控制白粉病的主效位點(diǎn)，比如研究者用高抗病品種和感病品種進(jìn)行雜交，并用RFLP標(biāo)記構(gòu)建綠豆的遺傳連鎖圖譜，檢測(cè)到造成86%的遺傳變異的這種主效基因位點(diǎn)，但是不同的抗原間的遺傳機(jī)理是有區(qū)別的，因此抗白粉病的基因是不等位的。

三、控制綠豆的農(nóng)藝性狀基因鑒定

在農(nóng)業(yè)方面對(duì)綠豆的粒重和生育期進(jìn)行研究，表明綠豆的顆粒大小是一種數(shù)量性狀，也不是受單個(gè)基因調(diào)控的，C.A.Fatokun利用RFLP標(biāo)記對(duì)控制綠豆子粒大小的相關(guān)基因進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了4個(gè)影響基因區(qū)域，后來(lái)有研究者以大粒和小粒品種進(jìn)行重組自交，并構(gòu)建了分子標(biāo)記連鎖圖譜，包含78個(gè)分子標(biāo)記位點(diǎn)，但其檢測(cè)到的位點(diǎn)與C.A.Fatokun沒(méi)有基因重合區(qū)域，表明增加粒重的等位基因是來(lái)源于野生品種中的，綠豆野生株中本身含有很多優(yōu)良的基因，可以充分挖掘這種優(yōu)良基因用于后續(xù)的育種工作中。另外，有研究表明控制兩個(gè)相關(guān)性比較強(qiáng)的性狀其基因區(qū)域是會(huì)富集在一起的，可以用一因多效來(lái)解釋這種現(xiàn)象。綠豆基因在表達(dá)過(guò)程中很容易受到外界環(huán)境和生育期的影響，QTL技術(shù)可以檢測(cè)到控制某種數(shù)量性狀的基因在基因組中的位置，但是這種檢測(cè)需要對(duì)不同時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行大量檢測(cè)，才能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而且不同的群體類型、作圖方式等會(huì)使QTL的數(shù)量和定位也會(huì)產(chǎn)生差異，但是總的來(lái)看，QTL對(duì)于綠豆分子標(biāo)記用于培育優(yōu)良品種起著重要的作用。因此在后續(xù)工作過(guò)程中，需要注意構(gòu)建綠豆遺傳連鎖圖譜是要選擇較大的次級(jí)作物作為作圖群體，消除部分遺傳背景下的干擾，提高作圖的準(zhǔn)確度；過(guò)去構(gòu)建的遺傳連鎖圖譜多采用第一代分子標(biāo)記，今后需要使用數(shù)量多且穩(wěn)定性強(qiáng)的新型分子標(biāo)記，需要增加分子標(biāo)記數(shù)目，確保連鎖群數(shù)目和染色體數(shù)目的一致性。

四、小結(jié)

綠豆作為一種食藥作物，在生長(zhǎng)和儲(chǔ)存過(guò)程中很容易受到病蟲(chóng)、環(huán)境的不良影響，如何選育高質(zhì)量、高產(chǎn)量的綠豆作物是育種工作的重點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，當(dāng)前主要采用生物防止的方式來(lái)代替化學(xué)農(nóng)藥，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究學(xué)者通過(guò)對(duì)一些控制優(yōu)良性狀的基因進(jìn)行基因定位，目前針對(duì)綠豆優(yōu)良基因精確定位的研究比較典型的有綠豆抗豆象遺傳，綠豆抗白粉病，綠豆黃花葉病毒，葉斑病等方面，運(yùn)用了分子標(biāo)記的方式，構(gòu)建綠豆遺傳連鎖圖譜，一方面，可以幫助育種工作挑選優(yōu)良基因，比如抗性基因和控制產(chǎn)量的基因，基因連鎖標(biāo)記可以輔助進(jìn)行育種早代的選擇，不斷提高選擇效率；另一方面可以有效打破不良基因與優(yōu)良性狀之間的連鎖關(guān)系，主要運(yùn)用分子克隆，構(gòu)建轉(zhuǎn)基因，實(shí)現(xiàn)在分子水平上的育種，培育高質(zhì)量、高產(chǎn)量、抗性的新品種。隨著綠豆全基因組測(cè)序的完成，很多已知的序列可以幫助開(kāi)發(fā)各種新型的分子標(biāo)記，有利于綠豆遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建，以及待研究基因的精確定位，從一定程度上說(shuō)，可以推動(dòng)綠豆基因組學(xué)的發(fā)展進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫蕾，程須珍，王素華，等.栽培綠豆V2709抗豆象特性遺傳及基因初步定位[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，41（5）：12911296.

[2]鐘敏.綠豆遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建及抗豆象基因定位[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2012（1）.

[3]孫蕾，程須珍，王麗俠.綠豆抗豆象研究進(jìn)展[J].植物遺傳資源學(xué)報(bào)，2007，8（1）：113117.