大豆耐旱性数量性状基因座定位研究进展
作者: 庄妍 汤敏慧 王众拥 程逸茹 牛炳森 于妍摘 要:目前,我国大豆产需差距过大,迫切需要提高大豆产量。现代分子育种技术是可以提高大豆产量的重要技术之一。干旱是制约大豆产量提高的重要因素之一,因此提升大豆耐旱性对提高大豆产量起到关键作用。在概述数量性状基因座定位技术和干旱胁迫对大豆生长的影响的基础上,对大豆耐旱性数量性状基因座定位研究进展进行总结,为选育出具有耐旱性的大豆品种提供参考。
关键词:大豆;耐旱性;QTL定位
中图分类号:S565.1 文献标志码:A 文章编号:1674-7909(2024)6-71-4
DOI:10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.06.014
0 引言
干旱作为主要的环境因素之一,对植物分布范围产生显著影响,在限制农业产出的同时,还会对粮食安全造成威胁[1]。我国大约有50%的耕地位于干旱或半干旱地区[2],主要分布在粮食产出约占全国总量65%的北方等地区 [3]。同时,我国大部分地区属季风气候与温带大陆性气候区,降水呈季节性分布,存在干湿两季,即降水多的地区也存在季节性水资源缺乏的问题。
大豆是起源于我国的重要粮食作物和经济作物之一[4-5]。随着人们对大豆的需求不断增加,国内产出的大豆已无法满足人们需求,只能依赖进口,因而迫切需要提高大豆产量。大豆对水分的需求较高,且根系不发达,是对水分最敏感的豆类植物之一[6]。干旱胁迫会导致大豆单位面积产量减少40%[7];当干旱严重时,大豆产量甚至会减少80%[8-9]。因此,筛选出大豆耐旱基因、培育出大豆耐旱品种是解决我国大豆依赖进口问题的有效方法之一[4-5]。
大豆抗旱性是一种由多基因调控的数量性状,而大豆抗旱基因筛选对育种方法提出了更高的要求。应用数量性状基因座(Quantitative Trait Locus,QTL)定位技术能显著加快大豆耐旱品种的培育速度。
1 QTL定位技术
QTL定位技术是一种专门用于精准识别单个基因的定位技术,能在遗传图谱中精确识别出QTL所在位置,并通过分析重组频率来确定QTL与遗传标记之间的距离。该项技术被广泛应用于F2代群体、回交群体、自交重组群体及双单倍体群体等的基因定位中。QTL位点分析常用的作图方法有3种[10-11],分别是单标记或单点分析法(Single marker analysis,SMA)[12]、区间作图法(Interval mapping,IM)[13]和复合区间作图法(Composite interval mapping,CIM)[14]。除了上述常规作图法外,还有基于混合线性模型的复合区间定位技术、多区间定位法等作图方法。目前,作物QTL定位法主要分为两类,一是传统的QTL定位方法,二是全基因组关联分析(Genome-wide association studies,GWAS)[15]。
植物的大多数性状(如大豆的营养含量、百粒重、植株高度和耐旱性等)一般是多基因联合作用的结果。QTL定位技术的应用能有效提高作物基因筛选效率,从而能更快得到符合预期目标的农作物品种。在人类疾病遗传学研究的启发下,植物遗传学的相关研究者也开始将关联分析原理应用于作物遗传学和育种领域中,并取得了显著成果[16]。随着分子生物学领域技术的快速发展,GWAS已成为揭示自然表型变异遗传基础的常用方法之一。在定位QTL过程中,GWAS具有工作效率高、群体建立时间短的优点,备受科研人员的推崇。基于高密度分子标记技术的GWAS能有效推动大豆耐旱性QTL的定位工作,并为成功筛选出耐旱基因提供强有力的技术支持。
2 干旱对大豆的影响
国内外研究人员对大豆耐旱性进行了大量研究[17-20],包括干旱条件下大豆产量、冠层萎蔫度、主根延伸深度、侧根分布密度、水分利用效率、细胞渗透调节及抗氧化防御机制等性状[21-22]。在进入成熟阶段后,大豆对干旱的适应能力主要表现为光合产物的积累、分配及最终产量。在干旱环境中,大豆通过改变根系特点和植株群体结构(如大豆的单株荚数、单株粒数、单株籽粒产量、百粒重及单粒荚、二粒荚、皱缩粒等)来更好地适应环境,从而确保大豆植株能正常生长。在多种因素的影响下,大豆产量会大幅下降,这也是要筛选出具有耐旱性的大豆品种的主要原因。路贵和等[23]对干旱环境下的大豆植株干重、主茎节数、分枝数量、植株高度等指标进行评估,从而筛选出具有耐旱性的种质资源(共筛选出3份具有耐旱特性的大豆种质资源)。王兴荣等[24]以与产量紧密相关的特征(如植株高度、单株结荚数目、单株籽粒产量、单株生物量、百粒重等)为评价指标,对多个大豆品种的耐旱能力进行评估。Du等[22]以耐旱系数为指标,来评估植物的耐旱性,并指出环境因素对该评估的影响呈显著性,要在多年内重复进行鉴定工作。目前,在国家种质库保存的超过30 000份的种质资源中,仅有约1/3的种质资源完成了耐旱性评估[3]。因此,对大豆种质资源持续开展耐旱性评估,并筛选出具有耐旱特性的大豆基因,仍是该研究领域的一项关键工作。
3 大豆耐旱性QTL研究进展
3.1 萌发期大豆耐旱QTL定位研究进展
萌发期是植物生长的关键阶段之一,该时期的植物对外界环境变化十分敏感[25-26]。但目前对萌发期大豆耐旱性QTL定位的研究仍然较少,且对大豆萌发期耐旱性的研究大多是采用综合评价法,即利用主成分分析法和隶属函数法对多个抗逆性指标进行综合分析评价。杜艳丽等[27]以胚根鲜重、根冠比、平均发芽速度、胚根长、发芽率作为评价大豆萌发期耐旱性的主要指标,筛选出具有耐旱基因的大豆品种。赵兴震[28]对410个大豆种质资源进行筛选,得到5个耐旱指标,并与117 811个SNP结合,进行全基因组关联分析,定位到分布在1、4、5、6、8、9、11、15、20号染色体上的26个与耐旱性相关的QTL。
3.2 芽期大豆耐旱QTL定位研究进展
许孟歌[29]用5个耐旱相关性状(发芽势、发芽率、苗全长、苗根长和苗干重)对60 510个SNP标记与470份大豆进行全基因组分析,最终检测到显著的SNP位点有103个。其中,相对苗根长的关联标记最多,其次是相对发芽率,而相对苗干重的关联标记最少,且检测的显著SNP位点主要分布在大豆基因组的17条染色体上,分布在4号染色体上的最多(20个),分布在6、8和14号染色体上的最少,只有1个位点。赵萌[30]以野生大豆品种ZYD00006作为供体亲本,以绥农14(SN14)作为轮回亲本,并以构建染色体片段代换系(CSSL)群体作为研究对象,在干旱条件下通过ICIM法来对相关的QTL进行初步定位,共检测到3个QTL位点,分别位于4号、15号染色体上,共注释到17个基因,并初步鉴定Glyma.15G196400为可能影响大豆种子发芽阶段耐旱性的潜在基因。
3.3 苗期大豆耐旱QTL定位研究进展
周斌等[31]通过培养大豆重组系群体来构建遗传图谱,从而得到高密度整合图谱,并用连锁不平衡关联法来筛选出具有耐旱性的优质种质。刘莹等[32]以科丰1号和南农1138-2为亲本来构建RIL群体,运用复合区间作图法对根系性状中与耐旱因素相关的QTL进行定位,发现某一个连锁群上存在耐旱基因,标记范围为STAS8-3T~STAS8-6T。刘鑫[33]用元分析法与关联分析对比法,使用42 080个SNP标记针对152份和326份大豆群体分别进行基因扫描,并基于15 a内各个干旱地区大豆性状的遗传图谱,以83个根系耐旱性状QTL为基础,最终在18号染色体上鉴定到耐旱性基因,并发现Glyma.03G250600、Glyma.05G157000、Glyma.05G157400和Glyma.06G177000这4个基因与大豆苗期根系的耐旱性紧密相关。
4 结束语
大豆耐旱性是多基因控制的数量性状,大多数学者使用QTL定位法来筛选耐旱性基因,而有关GWAS鉴定研究的报道相对较少。GWAS分析法更多是用来确定遗传位点和性状之间的关系,而高密度标记能预测或识别出相应基因[34]。
随着大豆耐旱性QTL定位技术的不断发展,相关科研人员通过对候选基因的克隆与鉴定,已确认大部分基因的功能。这有助于阐明大豆的耐旱性机制,可为筛选出具有更优耐旱性的大豆新品种奠定坚实的基础,可进一步满足我国对大豆的需求。
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