大豆耐旱性數(shù)量性狀基因座定位研究進(jìn)展

摘 要：目前，我國大豆產(chǎn)需差距過大，迫切需要提高大豆產(chǎn)量?，F(xiàn)代分子育種技術(shù)是可以提高大豆產(chǎn)量的重要技術(shù)之一。干旱是制約大豆產(chǎn)量提高的重要因素之一，因此提升大豆耐旱性對(duì)提高大豆產(chǎn)量起到關(guān)鍵作用。在概述數(shù)量性狀基因座定位技術(shù)和干旱脅迫對(duì)大豆生長的影響的基礎(chǔ)上，對(duì)大豆耐旱性數(shù)量性狀基因座定位研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，為選育出具有耐旱性的大豆品種提供參考。

關(guān)鍵詞：大豆；耐旱性；QTL定位

中圖分類號(hào)：S565.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-7909（2024）6-71-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.06.014

0 引言

干旱作為主要的環(huán)境因素之一，對(duì)植物分布范圍產(chǎn)生顯著影響，在限制農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的同時(shí)，還會(huì)對(duì)糧食安全造成威脅［1］。我國大約有50%的耕地位于干旱或半干旱地區(qū)［2］，主要分布在糧食產(chǎn)出約占全國總量65%的北方等地區(qū) ［3］。同時(shí)，我國大部分地區(qū)屬季風(fēng)氣候與溫帶大陸性氣候區(qū)，降水呈季節(jié)性分布，存在干濕兩季，即降水多的地區(qū)也存在季節(jié)性水資源缺乏的問題。

大豆是起源于我國的重要糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物之一［4-5］。隨著人們對(duì)大豆的需求不斷增加，國內(nèi)產(chǎn)出的大豆已無法滿足人們需求，只能依賴進(jìn)口，因而迫切需要提高大豆產(chǎn)量。大豆對(duì)水分的需求較高，且根系不發(fā)達(dá)，是對(duì)水分最敏感的豆類植物之一［6］。干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致大豆單位面積產(chǎn)量減少40%［7］；當(dāng)干旱嚴(yán)重時(shí)，大豆產(chǎn)量甚至?xí)p少80%［8-9］。因此，篩選出大豆耐旱基因、培育出大豆耐旱品種是解決我國大豆依賴進(jìn)口問題的有效方法之一［4-5］。

大豆抗旱性是一種由多基因調(diào)控的數(shù)量性狀，而大豆抗旱基因篩選對(duì)育種方法提出了更高的要求。應(yīng)用數(shù)量性狀基因座（Quantitative Trait Locus，QTL）定位技術(shù)能顯著加快大豆耐旱品種的培育速度。

1 QTL定位技術(shù)

QTL定位技術(shù)是一種專門用于精準(zhǔn)識(shí)別單個(gè)基因的定位技術(shù)，能在遺傳圖譜中精確識(shí)別出QTL所在位置，并通過分析重組頻率來確定QTL與遺傳標(biāo)記之間的距離。該項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于F2代群體、回交群體、自交重組群體及雙單倍體群體等的基因定位中。QTL位點(diǎn)分析常用的作圖方法有3種［10-11］，分別是單標(biāo)記或單點(diǎn)分析法（Single marker analysis，SMA）［12］、區(qū)間作圖法（Interval mapping，IM）［13］和復(fù)合區(qū)間作圖法（Composite interval mapping，CIM）［14］。除了上述常規(guī)作圖法外，還有基于混合線性模型的復(fù)合區(qū)間定位技術(shù)、多區(qū)間定位法等作圖方法。目前，作物QTL定位法主要分為兩類，一是傳統(tǒng)的QTL定位方法，二是全基因組關(guān)聯(lián)分析（Genome-wide association studies，GWAS）［15］。

植物的大多數(shù)性狀（如大豆的營養(yǎng)含量、百粒重、植株高度和耐旱性等）一般是多基因聯(lián)合作用的結(jié)果。QTL定位技術(shù)的應(yīng)用能有效提高作物基因篩選效率，從而能更快得到符合預(yù)期目標(biāo)的農(nóng)作物品種。在人類疾病遺傳學(xué)研究的啟發(fā)下，植物遺傳學(xué)的相關(guān)研究者也開始將關(guān)聯(lián)分析原理應(yīng)用于作物遺傳學(xué)和育種領(lǐng)域中，并取得了顯著成果［16］。隨著分子生物學(xué)領(lǐng)域技術(shù)的快速發(fā)展，GWAS已成為揭示自然表型變異遺傳基礎(chǔ)的常用方法之一。在定位QTL過程中，GWAS具有工作效率高、群體建立時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，備受科研人員的推崇?；诟呙芏确肿訕?biāo)記技術(shù)的GWAS能有效推動(dòng)大豆耐旱性QTL的定位工作，并為成功篩選出耐旱基因提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

2 干旱對(duì)大豆的影響

國內(nèi)外研究人員對(duì)大豆耐旱性進(jìn)行了大量研究［17-20］，包括干旱條件下大豆產(chǎn)量、冠層萎蔫度、主根延伸深度、側(cè)根分布密度、水分利用效率、細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)及抗氧化防御機(jī)制等性狀［21-22］。在進(jìn)入成熟階段后，大豆對(duì)干旱的適應(yīng)能力主要表現(xiàn)為光合產(chǎn)物的積累、分配及最終產(chǎn)量。在干旱環(huán)境中，大豆通過改變根系特點(diǎn)和植株群體結(jié)構(gòu)（如大豆的單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株籽粒產(chǎn)量、百粒重及單粒莢、二粒莢、皺縮粒等）來更好地適應(yīng)環(huán)境，從而確保大豆植株能正常生長。在多種因素的影響下，大豆產(chǎn)量會(huì)大幅下降，這也是要篩選出具有耐旱性的大豆品種的主要原因。路貴和等［23］對(duì)干旱環(huán)境下的大豆植株干重、主莖節(jié)數(shù)、分枝數(shù)量、植株高度等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，從而篩選出具有耐旱性的種質(zhì)資源（共篩選出3份具有耐旱特性的大豆種質(zhì)資源）。王興榮等［24］以與產(chǎn)量緊密相關(guān)的特征（如植株高度、單株結(jié)莢數(shù)目、單株籽粒產(chǎn)量、單株生物量、百粒重等）為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)多個(gè)大豆品種的耐旱能力進(jìn)行評(píng)估。Du等［22］以耐旱系數(shù)為指標(biāo)，來評(píng)估植物的耐旱性，并指出環(huán)境因素對(duì)該評(píng)估的影響呈顯著性，要在多年內(nèi)重復(fù)進(jìn)行鑒定工作。目前，在國家種質(zhì)庫保存的超過30 000份的種質(zhì)資源中，僅有約1/3的種質(zhì)資源完成了耐旱性評(píng)估［3］。因此，對(duì)大豆種質(zhì)資源持續(xù)開展耐旱性評(píng)估，并篩選出具有耐旱特性的大豆基因，仍是該研究領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵工作。

3 大豆耐旱性QTL研究進(jìn)展

3.1 萌發(fā)期大豆耐旱QTL定位研究進(jìn)展

萌發(fā)期是植物生長的關(guān)鍵階段之一，該時(shí)期的植物對(duì)外界環(huán)境變化十分敏感［25-26］。但目前對(duì)萌發(fā)期大豆耐旱性QTL定位的研究仍然較少，且對(duì)大豆萌發(fā)期耐旱性的研究大多是采用綜合評(píng)價(jià)法，即利用主成分分析法和隸屬函數(shù)法對(duì)多個(gè)抗逆性指標(biāo)進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)。杜艷麗等［27］以胚根鮮重、根冠比、平均發(fā)芽速度、胚根長、發(fā)芽率作為評(píng)價(jià)大豆萌發(fā)期耐旱性的主要指標(biāo)，篩選出具有耐旱基因的大豆品種。趙興震［28］對(duì)410個(gè)大豆種質(zhì)資源進(jìn)行篩選，得到5個(gè)耐旱指標(biāo)，并與117 811個(gè)SNP結(jié)合，進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，定位到分布在1、4、5、6、8、9、11、15、20號(hào)染色體上的26個(gè)與耐旱性相關(guān)的QTL。

3.2 芽期大豆耐旱QTL定位研究進(jìn)展

許孟歌［29］用5個(gè)耐旱相關(guān)性狀（發(fā)芽勢、發(fā)芽率、苗全長、苗根長和苗干重）對(duì)60 510個(gè)SNP標(biāo)記與470份大豆進(jìn)行全基因組分析，最終檢測到顯著的SNP位點(diǎn)有103個(gè)。其中，相對(duì)苗根長的關(guān)聯(lián)標(biāo)記最多，其次是相對(duì)發(fā)芽率，而相對(duì)苗干重的關(guān)聯(lián)標(biāo)記最少，且檢測的顯著SNP位點(diǎn)主要分布在大豆基因組的17條染色體上，分布在4號(hào)染色體上的最多（20個(gè)），分布在6、8和14號(hào)染色體上的最少，只有1個(gè)位點(diǎn)。趙萌［30］以野生大豆品種ZYD00006作為供體親本，以綏農(nóng)14（SN14）作為輪回親本，并以構(gòu)建染色體片段代換系（CSSL）群體作為研究對(duì)象，在干旱條件下通過ICIM法來對(duì)相關(guān)的QTL進(jìn)行初步定位，共檢測到3個(gè)QTL位點(diǎn)，分別位于4號(hào)、15號(hào)染色體上，共注釋到17個(gè)基因，并初步鑒定Glyma.15G196400為可能影響大豆種子發(fā)芽階段耐旱性的潛在基因。

3.3 苗期大豆耐旱QTL定位研究進(jìn)展

周斌等［31］通過培養(yǎng)大豆重組系群體來構(gòu)建遺傳圖譜，從而得到高密度整合圖譜，并用連鎖不平衡關(guān)聯(lián)法來篩選出具有耐旱性的優(yōu)質(zhì)種質(zhì)。劉瑩等［32］以科豐1號(hào)和南農(nóng)1138-2為親本來構(gòu)建RIL群體，運(yùn)用復(fù)合區(qū)間作圖法對(duì)根系性狀中與耐旱因素相關(guān)的QTL進(jìn)行定位，發(fā)現(xiàn)某一個(gè)連鎖群上存在耐旱基因，標(biāo)記范圍為STAS8-3T～STAS8-6T。劉鑫［33］用元分析法與關(guān)聯(lián)分析對(duì)比法，使用42 080個(gè)SNP標(biāo)記針對(duì)152份和326份大豆群體分別進(jìn)行基因掃描，并基于15 a內(nèi)各個(gè)干旱地區(qū)大豆性狀的遺傳圖譜，以83個(gè)根系耐旱性狀QTL為基礎(chǔ)，最終在18號(hào)染色體上鑒定到耐旱性基因，并發(fā)現(xiàn)Glyma.03G250600、Glyma.05G157000、Glyma.05G157400和Glyma.06G177000這4個(gè)基因與大豆苗期根系的耐旱性緊密相關(guān)。

4 結(jié)束語

大豆耐旱性是多基因控制的數(shù)量性狀，大多數(shù)學(xué)者使用QTL定位法來篩選耐旱性基因，而有關(guān)GWAS鑒定研究的報(bào)道相對(duì)較少。GWAS分析法更多是用來確定遺傳位點(diǎn)和性狀之間的關(guān)系，而高密度標(biāo)記能預(yù)測或識(shí)別出相應(yīng)基因［34］。

隨著大豆耐旱性QTL定位技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)科研人員通過對(duì)候選基因的克隆與鑒定，已確認(rèn)大部分基因的功能。這有助于闡明大豆的耐旱性機(jī)制，可為篩選出具有更優(yōu)耐旱性的大豆新品種奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，可進(jìn)一步滿足我國對(duì)大豆的需求。

參考文獻(xiàn)：

［1］TAKAHASHI F，SUZUKI T，OSAKABE Y，et al.A small peptide modulates stomatal control via abscisic acid in long-distance signalling［J］.Nature，2018（7700）：235-238.

［2］ 耿若飛，程志杰，王二偉，等.葉面噴施硅肥對(duì)干旱脅迫下冬小麥生理特性和產(chǎn)量的影響［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2024（1）：112-116.

［3］ 趙興震，徐江源，于莉莉，等.大豆種質(zhì)田間耐旱性評(píng)價(jià)及優(yōu)異種質(zhì)篩選［J］.大豆科學(xué)，2020（6）：825-832.

［4］HWANG S，KING C A，RAY J D，et al.Confirmation of delayed canopy wilting QTLs from multiple soybean mapping populations［J］.Theoretical and Applied Genetics，2015（10）：2047-2065.

［5］YE H，ROORKIWAL M，VALLIYODAN B，et al.Genetic diversity of root system architecture in response to drought stress in grain legumes［J］.Journal of Experimental Botany，2018（13）：3267-3277.

［6］CONDON A G，RICHARDS R A，REBETZKE G J，et al.Breeding for high water-use efficiency［J］.Journal of Experimental Botany，2004（407）：2447-2460.

［7］SPECHT J E，HUME D J，KUMUDINI S V.Soybean yield potential-A genetic and physiological perspective［J］.Crop Science，1999（6）：1560-1570.

［8］OYA T，NEPOMUCENO A L，NEUMAIER N，et al.Drought tolerance characteristics of Brazilian soybean cultivars［J］.Plant Production Science，2004（2）：129-137.

［9］GUIMAR?ES-DIAS F，NEVES-BORGES A C，VIANA A A B，et al.Expression analysis in response to drought stress in soybean：Shedding light on the regulation of metabolic pathway genes［J］.Genetics and Molecular Biology，2012（1）：222-232.

［10］席章營，朱芬菊，臺(tái)國琴，等.作物QTL分析的原理與方法［J］.中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2005（1）：88-92，99.

［11］周明亮，納巴他，張顯澤，等.QTL定位方法的研究進(jìn)展［J］.草業(yè)與畜牧，2012（5）：18-23.

［12］YI N J，XU S Z.A random model approach to mapping quantitative trait loci for complex binary traits in outbred populations［J］.Genetics，1999（2）：1029-1040.

［13］劉粉香，陶申童，吳吉妍，等.林木多元性狀數(shù)據(jù)QTL區(qū)間作圖統(tǒng)計(jì)分析及其在楊樹上的應(yīng)用［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018（3）：67-72.

［14］高用明，萬平.QTL復(fù)合區(qū)間作圖中標(biāo)記篩選的效率及其影響因素研究［J］.遺傳學(xué)報(bào)，2002（6）：555-561.

［15］劉甜，龐井雪，石連欣，等.大豆耐鹽性QTL定位研究綜述［J］.鄉(xiāng)村科技，2023（5）：91-93.

［16］唐富福，徐非非，包勁松.全基因組關(guān)聯(lián)分析在水稻遺傳育種中的應(yīng)用［J］.核農(nóng)學(xué)報(bào)，2013（5）：598-606.

［17］PELEG Z，F(xiàn)AHIMA T，SARANGA Y.Drought resistance in wild emmer wheat： Physiology，ecology，and genetics［J］.Israel Journal of Plant Sciences，2007（3-4）：289-296.

［18］TERáN H，SINGH S P.Comparison of sources and lines selected for drought resistance in common bean［J］.Crop Science，2002（1）：64-70.

［19］MANAVALAN L P，GUTTIKONDA S K，PHAN TRAN L S，et al.Physiological and molecular approaches to improve drought resistance in soybean［J］.Plant and Cell Physiology，2009（7）：1260-1276.

［20］LIU Z X，LI H H，GOU Z W，et al.Genome-wide association study of soybean seed germination under drought stress［J］.Molecular Genetics and Genomics，2020（3）：661-673.

［21］DESCLAUX D，HUYNH T T，ROUMET P.Identification of soybean plant characteristics that indicate the timing of drought stress［J］.Crop Science，2000（3）：716-722.

［22］DU W J，Wang M，F(xiàn)u S X，et al.Mapping QTLs for seed yield and drought susceptibility index in soybean（Glycine max L.）across different environments［J］.Journal of Genetics and Genomics，2009（12）：721-731.

［23］路貴和，劉學(xué)義，任小俊，等.黃淮海地區(qū)大豆抗旱種質(zhì)資源的多樣性研究［J］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2001（3）：251-255.

［24］王興榮，張彥軍，李玥，等.干旱脅迫對(duì)大豆生長的影響及抗旱性評(píng)價(jià)方法與指標(biāo)篩選［J］.植物遺傳資源學(xué)報(bào)，2018（1）：49-56.

［25］周玉麗，朱平，胡能兵，等.不同大豆品種發(fā)芽期耐旱性評(píng)價(jià)及耐旱種質(zhì)篩選［J］.大豆科學(xué)，2015（4）：616-623.

［26］SHU K，QI Y，CHEN F，et al.Salt stress represses soybean seed germination by negatively regulating GA biosynthe-sis while positively mediating ABA biosynthesis［J］.Frontiers in Plant Science，2017（8）：1372.

［27］杜艷麗，張兆寧，李思琪，等.黑龍江地區(qū)主栽大豆品種萌發(fā)期耐旱性綜合鑒定及評(píng)價(jià)［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2022（4）：1-8，22.

［28］趙興震.大豆耐旱性評(píng)價(jià)及耐旱相關(guān)基因挖掘［D］.北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2020.

［29］許孟歌.江淮大豆育種種質(zhì)群體芽期耐旱性評(píng)價(jià)及全基因組關(guān)聯(lián)分析［D］.南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.

［30］趙萌.大豆芽期耐旱種質(zhì)資源鑒定及耐旱基因挖掘［D］.長春：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，2023.

［31］周斌.大豆遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建、整合及苗期耐旱性的QTL分析［D］.南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

［32］劉瑩，王鎖貴.大豆苗期耐旱種質(zhì)鑒定和相關(guān)根系性狀QTL定位［J］.揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（2）：16-20，25.

［33］劉鑫.大豆苗期根系耐旱性關(guān)聯(lián)分析及元分析［D］.哈爾濱：黑龍江大學(xué)，2023.

［34］關(guān)博文，陳慶山，武小霞，等.大豆遺傳育種中全基因組關(guān)聯(lián)分析的應(yīng)用進(jìn)展［J］.黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2022（4）：94-99.

基金項(xiàng)目：國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“大豆導(dǎo)入系耐旱基因型鑒定及QTL分析”（202313606006）；吉林省教育廳科學(xué)技術(shù)研究規(guī)劃項(xiàng)目”大豆四粒莢數(shù)QTL位點(diǎn)的精細(xì)定位及候選基因分析“（JJKH20211432KJ）。

作者簡介：莊妍（2001—），女，本科生，研究方向：植物遺傳育種。

通信作者：于妍（1984—），女，碩士，教授，研究方向：大豆遺傳育種。