簡述大豆磷高效基因型的篩選及QTL定位分析
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摘要本文概述了磷的生理作用、磷資源利用現(xiàn)狀、磷資源的研究進展，分析大豆及其它植物的磷效率，通過QTL定位分析研究大豆中與耐低磷性狀相關(guān)的主效基因，從而為大豆育種提供理論依據(jù)。
論文關(guān)鍵詞：大豆,磷效率,磷高效基因型,QTL定位分析
大豆原產(chǎn)我國，現(xiàn)世界各地均有栽培，是主要的農(nóng)作物之一。其種子富含蛋白質(zhì)、脂肪，除用以榨油還可以加工成各種豆制品，深受人們喜愛。但我國大豆產(chǎn)量相對于發(fā)達國家較低，通過培育優(yōu)良品種可以提高我國大豆產(chǎn)量，筆者就此問題作簡單的探討。
1 磷的生理作用
磷是植物生長發(fā)育不可缺少的營養(yǎng)元素之一，它是核酸、核蛋白、磷脂、激素、磷酸腺苷等許多有機物的構(gòu)成成分，同時又以多種方式參與作物體內(nèi)的生理過程，包括糖類代謝、碳水化合物的運輸、含氮化合物代謝及脂肪代謝等，對作物生長發(fā)育、抗逆性、產(chǎn)量與品質(zhì)都起著重要作用。
2 磷資源利用現(xiàn)狀
通常人們通過增施磷肥來提高土壤的含磷量，然而磷肥施入土壤后，由于其特定的土壤化學(xué)性質(zhì)，大部分很快被土壤膠體吸附或固定，難于被作物吸收，因而利用效率不高。因此，提高作物對磷肥的利用效率對提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益、保護環(huán)境具有重要意義。
磷是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要物質(zhì)保障，又是不可再生的礦物質(zhì)資源。有報道指出，根據(jù)目前已探明的磷礦儲量與開采速度，世界現(xiàn)有磷礦資源只能維持50 ～400 年。中國的磷資源只占世界磷資源的1.1%，可開發(fā)的磷礦只有1 億噸，按照目前開采速度，這些磷礦僅夠開采約25 年( Cat hcart ,1979)，然而，世界絕大部分農(nóng)業(yè)土壤又嚴重缺磷。據(jù)報道，全世界13.19 億公頃的耕地中大約有43%缺磷[1]。我國1.07 億公頃農(nóng)田中大約有60%缺磷[2]，磷仍然是我國乃至世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的限制因素，磷肥的供求不僅是現(xiàn)在而且是將來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的突出矛盾之一。
另外，由于與大豆共生的根瘤菌具有固氮的能力，磷往往成為限制大豆的生長及產(chǎn)量最重要的關(guān)鍵元素，研究大豆對磷的利用，具有重大的現(xiàn)實意義。
3 磷資源的研究進展
作物不同基因型對磷素吸收利用差異的研究，國外研究開展得較早，不僅對耐低磷的機理做了大量的工作，而且對其遺傳規(guī)律也進行了研究。我國對作物耐低營養(yǎng)脅迫基因型的發(fā)掘和篩選工作開展較晚，但進展較快，作物和營養(yǎng)元素的研究范圍較廣。
磷是植物體內(nèi)參與很多生理生化過程的元素，其營養(yǎng)效率的生理生化基礎(chǔ)相當(dāng)復(fù)雜，并且受到環(huán)境因素的影響，是由多基因控制的數(shù)量性狀。
磷高效基因型是指在磷脅迫條件下能比其它基因型獲得較高產(chǎn)量的品種。作物磷效率包括兩方面，即磷吸收效率（植物吸收介質(zhì)中磷的能力）和磷利用效率（作物對體內(nèi)磷的利用能力）。有研究表明磷的高效吸收與其高效利用有密切的關(guān)系(Ming等，2000)。
不同植物類型間磷效率的表現(xiàn)存在的較大差異，很早就已引起人們的注意。 Ae 等對多種作物耐低磷特性的研究發(fā)現(xiàn)，木豆通常比高粱、玉米、大豆等更耐磷脅迫。植物的磷效率差異不僅表現(xiàn)在不同的物種間，而且更重要的是，相同物種的不同品種也存在著效率的遺傳變異，這就為這一遺傳性狀的開發(fā)應(yīng)用提供了重要的經(jīng)濟價值及利用潛力。Clark 和Brown 發(fā)現(xiàn)富磷土壤上磷高效與磷低效品種玉米干物質(zhì)產(chǎn)量相近，但缺磷條件下磷高效品種干物質(zhì)產(chǎn)量高于磷低效品種。Bruetsch 的研究結(jié)果表明玉米早熟品種通常比晚熟品種吸收積累更多的磷，但晚熟品種的磷利用效率高于早熟品種。蠶豆品種(系)間磷利用效率存在明顯差異，在缺磷條件下，不同蠶豆品種的干物質(zhì)產(chǎn)量差異達72%，磷利用效率差異達77%。
近年來發(fā)展起來的分子標記技術(shù)使得人們有可能將復(fù)雜的數(shù)量性狀進行分解，與研究質(zhì)量性狀基因一樣將控制數(shù)量性狀的多個基因分別進行研究。隨著植物遺傳作圖的快速發(fā)展，相關(guān)成果也應(yīng)用于植物營養(yǎng)效率的基因型差異研究上。
目前已經(jīng)有大量的研究在生理層次上探討了植物磷營養(yǎng)效率與根系形態(tài)、生理、生化以及共生特性的相互關(guān)系。通過對磷高效吸收生理學(xué)中級指標的研究發(fā)現(xiàn)，與磷相關(guān)的性狀中根系的相關(guān)性狀最為重要。趙靜[3]等應(yīng)用GIS方法構(gòu)建了大豆磷效率的應(yīng)用核心種質(zhì)，并對大豆種質(zhì)的重要根系性狀根構(gòu)型進行了系統(tǒng)的評價和對比分析，結(jié)果揭示了大豆根構(gòu)型與磷效率的關(guān)系及其可能的進化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)大豆根構(gòu)型與磷效率密切相關(guān)，淺根型大豆根系具有合理的三維空間分布，有利于大豆對耕層土壤磷的吸收，從而顯著提高了大豆的磷效率和產(chǎn)量。王應(yīng)祥[4]等通過營養(yǎng)液栽培試驗研究大豆適應(yīng)低磷脅迫的機理，結(jié)果表明：在水培條件下，大豆在磷效率方面存在著顯著的基因型差異。在總體磷效率(以生物量為標準)方面和磷吸收效率(整株含磷量)方面，結(jié)果與田間試驗表現(xiàn)基本一致。
在此基礎(chǔ)上，植物磷高效營養(yǎng)的分子生物學(xué)研究也已經(jīng)展開。QTL定位為研究如耐低磷這樣復(fù)雜的數(shù)量性狀的遺傳學(xué)提供了一個好的途徑。水稻在這方面研究的比較早，自九十年代，有關(guān)水稻的耐低磷的QTL定位已有報道。在一個BC群體中，定位了三個與總干重相關(guān)的QTL位點，5個與磷吸收相關(guān)的QTL位點，貢獻值分別為45.4%和54.5%。使用標記C443發(fā)現(xiàn)在12號染色體上存在一個主效基因(Wissuwa, 1998)。通過進一步研究發(fā)現(xiàn)，使用標記S14025和S13126將一個與磷吸收相關(guān)的主要QTL位點定位在一個3cM的空白區(qū)，與經(jīng)典QTL圖譜上的距離在1cM之內(nèi)(Wissuwa, 2002)。使用標記RG9 and RG241和RFLP技術(shù)，將與耐低磷性狀相關(guān)的另一個主要QTL位點(PHO)定位在12號染色體上。還有一些微效的QTL定位在1號染色體，6號染色體及9號染色體上(Ni,1998)。Ming等(2000)使用RFLP標記將與根干重、地上部分干重和總干重相關(guān)性狀的QTL定位在第6號染色體上，貢獻率分別為24.9%、 20.5%和25.2%。其中與磷吸收相關(guān)的兩個QTL的貢獻率達到20.7%。
從20世紀90年代起，有關(guān)大豆的遺傳圖譜被構(gòu)建起來(Shoemaker，1995；Keim， 1997；Zhang，1997；Cregan，1999；Liu，2000；Wu，2001；Wang，2003；Zhang，2004)，一些與大豆農(nóng)藝性狀相關(guān)的QTL定位已有報道(Lark，1995；Tasma，2001；Specht，2001；Hoecka，2003；Zhang，2004)，然而，在大豆基因組中，基因控制與磷相關(guān)性狀的分析還比較少。李一丹在考查了NJRIKY的116個株系在低磷和適磷條件下7個農(nóng)藝性狀包括：株高(HT)、地上部分鮮重(FSW)、根系鮮重(FRW)、根系干重(DRW)、根長(RL)、葉中磷含量(LP)、根中磷含量(RP)，在應(yīng)用大豆RIL群體(Kefeng No. l XNannong1138-2)所構(gòu)建的遺傳圖譜的基礎(chǔ)上，用復(fù)合區(qū)間作圖法定位了大豆耐低磷性狀的QTL位點。使用Windows QTL Cartographer程序分析了耐低磷性狀的QTL。在F1和F2連鎖群中，共檢測到7個QTL位點，有5個QTL位點定位于F2連鎖群上，兩個定位于連鎖群F1上。并定位了地上部分鮮重(FSW)、根中磷含量(RP)和葉中磷含量(LP)三個性狀的QTL位點，其中有5個QTL位點的LOD值>3。所有QTL位點都可以解釋超過10%的總遺傳變異，其中與葉中磷含量相關(guān)的兩個QTL最大可以解釋超過20%的遺傳變異[5]。因此推測，大豆中與耐低磷性狀相關(guān)的主效基因可能定位于F連鎖群上。
4 科學(xué)和實踐意義
通過研究大豆種質(zhì)中育種核心種質(zhì)耐低磷特性進行評價，并對其性狀進行定位。將使大豆研究工作開拓新的研究領(lǐng)域，通過營養(yǎng)過程詮釋大豆高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)問題，促進大豆育種水平升級。
主
參考文獻
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OTL的提出：Geldermann 在1975年抽提出數(shù)量性狀位點QTLs（quantitative trait locus）的俠義義概念，認為QTLs是對占據(jù)染色體某一區(qū)段數(shù)量性狀位點的變異有較大影響效應(yīng)的單一基因或緊密連鎖的基因簇。OTL的提出為研究數(shù)量性狀單基因作用及其互作效應(yīng)，以及建立在此基礎(chǔ)上的遺傳分析模型的應(yīng)用提供了理論依據(jù)，為動物育種方案的實施開辟了新途徑。借助分子標記－OTL的連鎖關(guān)系來實現(xiàn)真正的基因型選擇，可以提高對動物主要經(jīng)濟性狀的選育，從而提高選育的效率。理想的遺傳標記應(yīng)具備的條件為：（1）高度多態(tài)，以保證個體或系在每一個基因位點上攜帶不同的等位基因。（2）種類豐富，以保證足夠多的標記覆蓋整個基因組。（3）對所研究的數(shù)量性狀，繁殖適應(yīng)性都呈中性。（4）最好是共顯性，以保證標記基因位點上所有的基因型都可明顯區(qū)分。
QTL檢測的方法：目前借助分子生物學(xué)技術(shù)進行QTL檢測的方法主要有2類：一類是標記－OTL連鎖分析（mark－QTL linkage analysis），也稱為基因組掃描（genome scanning）；另一類是候選基因分析（candidate gene approach）。標記－OTL連鎖分析是基于遺傳標記座位等位基因與QTL等位基因之間的連鎖不平衡關(guān)系，通過對遺傳標記從親代到子代遺傳過程的追蹤以及它們在群體中的分離與數(shù)量性狀表現(xiàn)之間的關(guān)系的分析，來判斷是否有QTL存在，它們在染色體上相對位置以及它們的效應(yīng)大小，因而這類方法的前提是：1）要有理想的遺傳標記。2）要有合適的群體用于進行分析。3）在該群體中存在分離的QTL。候選基因分析是根據(jù)已有的生理生化知識以及對復(fù)雜數(shù)量性狀的剖析，來推斷哪些基因可能參與了性狀的形成，預(yù)先選定一些基因（稱為候選基因），通過分子生物學(xué)實驗檢測這些基因及其分子標記對特定數(shù)量性狀的效應(yīng)，篩選出對數(shù)量性狀有影響的基因和分子標記，并估計出它們對數(shù)量性狀的效應(yīng)值，最后在分子生物學(xué)水平證實基因的變異能否帶來真實的表型變異。候選基因法費用低，操作簡單，便于在標記輔助選擇（MMS）中應(yīng)用，但在無法預(yù)先確定候選基因的情況下，標記－OTL連鎖分析是最常用的方法。
QTL定位的策略：利用QTL與遺傳標記之間的連鎖關(guān)系。在一個大群體中進行標記基因型和被測數(shù)量性狀表型值記錄，通過統(tǒng)計方法進行連鎖分析，確定連鎖關(guān)系。其基本步驟為：1）選擇適宜的遺傳標記；2）選擇在所研究數(shù)量性狀上處于分離狀態(tài)的純系或高度近交系；3）進行系間雜交獲得分離世代的F2個體或者進行回交獲得BC個體；許多學(xué)者根據(jù)不同群體的遺傳特性，分別提出了相應(yīng)的座位與QTL相互關(guān)聯(lián)的檢測方法，所涉及到的群體包括：近交系間分離群體、異交系間分離群體、加倍單倍體（DH）群體、2個近交系間的重組近交系（RIL）、一粒傳群體（SSD）、單倍體群體等。4）檢測各世代群個體的標記基因型并記錄其數(shù)量性狀表型值；5）分析標記基因型與數(shù)量性狀表型值之間是否存在連鎖關(guān)系，確定QTL連鎖群，估計QTL效應(yīng)。
QTL定位就是采用類似單基因定位的方法將QTL定位在遺傳圖譜上，確定QTL與遺傳標記間的距離（以重組率表示）。根據(jù)標記數(shù)目的不同，可分為單標記、雙標記和多標記；根據(jù)統(tǒng)計分析方法的不同，可分為方差與均值分析法、回歸及相關(guān)分析法、矩估計及最大似然法等；根據(jù)標記區(qū)間數(shù)可分噗零區(qū)間作圖、單區(qū)間作圖和多區(qū)間作圖。此外，還有將不同方法結(jié)合起來的綜合分析方法，如QTL復(fù)合區(qū)間作圖（CIM）、多區(qū)間作圖（MIM）、多QTL作圖、多性狀作圖（MTM）等等。從目前的研究來看，有關(guān)QTL作圖方法的研究進展較快，不斷有學(xué)者提出新的改進方法，就目前來講，有許多QTL作圖方法還未被遺傳學(xué)研究工作者普遍接受，主要是由于有的方法計算太復(fù)雜，或者檢測QTL的效力和精度不夠理想。目前應(yīng)用較為廣泛的是Lander 和Botstein倡導(dǎo)的區(qū)間作圖法，該方法比較成熟。
