野生大豆种子组成QTL的精细定位与候选基因鉴定：回交渗入对农艺性状影响的综合评价

本研究针对大豆育种中因选择高产导致的种子蛋白质含量下降和油分含量上升问题，利用野生大豆(G. soja)资源，通过QTL定位和精细作图，鉴定出可显著提高蛋白质含量而不影响油分的Chr14位点，并开发了可用于分子育种的KASP标记，为大豆品质改良提供了重要遗传资源。

　　

大豆作为全球最重要的油料作物之一，其种子蛋白质和油分含量直接决定了经济价值。然而，在过去几十年的育种过程中，为了追求高产，育种家们无意中降低了种子蛋白质含量，同时提高了油分含量。这种"此消彼长"的现象源于三个性状之间复杂的表型和遗传相关性。更令人担忧的是，由于驯化和遗传瓶颈效应，栽培大豆丢失了约50%的野生大豆遗传多样性，其中包括许多可能具有育种价值的稀有等位基因。

野生大豆(Glycine soja)作为栽培大豆的野生近缘种，表现出更加丰富的遗传变异。研究表明，野生大豆种质的蛋白质含量范围可达392.6-481.7 g kg^-1，而栽培大豆仅为360.2-402.5 g kg^-1。这种天然变异为改良栽培大豆的种子组成提供了宝贵的遗传资源。此前研究发现，来自野生大豆PI 593983的Chr14区域存在一个能够显著提高蛋白质含量6.5-7.2 g kg^-1且不影响油分的QTL，但该位点在其它遗传背景下的稳定性和对农艺性状的影响尚不明确。

为了解决这些问题，研究人员在《Theoretical and Applied Genetics》上发表了最新研究成果，通过构建两个群体——确认作图群体和回交群体，在多个环境中验证了Chr14蛋白质QTL的效果，并对其进行了精细定位和候选基因鉴定。

研究采用了多项关键技术方法：利用Illumina Infinium BARCSoySNP3K和6K芯片进行基因分型；开发了18个KASP标记用于精细作图；对19个回交系和亲本进行了15×深度的全基因组重测序；使用近红外光谱(NIR)和湿化学方法分析种子组成；通过复合区间作图进行QTL分析；利用Soybean Genome Explorer工具鉴定高影响变异。

确认作图群体的QTL鉴定

研究人员首先构建了包含213个F₃衍生系的确认作图群体，利用1,047个多态性SNP标记进行连锁作图。结果表明：

蛋白质含量QTL定位发现4个显著位点，分别位于Chr6、9、14和16。其中Chr14的蛋白质QTL(物理位置：7,980,639-8,595,308 bp)与之前报道的区域重叠，解释7.7%的表型变异。该位点的G. soja等位基因使蛋白质含量增加9.29 g kg^-1。

油分含量QTL分析鉴定出4个位点，位于Chr6、8、14和19。Chr8油分QTL(8,725,772-9,428,417 bp)和Chr14油分QTL(4,602,230-6,561,966 bp)均与之前报道的区域重叠，分别解释11.3%和9.2%的表型变异。

QTL精细定位与候选基因鉴定

通过全基因组重测序数据，研究人员将三个QTL区域精细定位并鉴定了候选基因：

Chr14蛋白质QTL区域缩小到0.6 Mbp(8,371,815-8,909,883 bp)，包含两个候选基因：Glyma.14G089900(SWIM锌指家族蛋白)和Glyma.14G089600(bHLH转录因子)。其中Glyma.14G089600存在G. soja特有的移码突变，可能影响其功能。

Chr8油分QTL区域缩小到0.7 Mbp(8,770,303-9,465,207 bp)，鉴定出5个候选基因，包括与拟南芥SUB1基因同源的Glyma.08G114200。

Chr14油分QTL区域(5,444,706-6,434,386 bp)鉴定出6个候选基因，功能涉及肌动蛋白相关蛋白、钙离子依赖性磷脂结合蛋白和细胞色素P450等。

回交群体中Chr14蛋白质QTL的效应评价

为了评估Chr14蛋白质QTL对种子组成和农艺性状的影响，研究人员构建了77个BC₃F₂衍生回交系，在8个环境中进行评价：

结果表明，G. soja ED-5标记等位基因显著增加蛋白质含量5.04 g kg^-1(p<0.001)，解释17.3%的表型变异，而对油分含量无显著影响。然而，该等位基因导致产量显著降低115.28 kg ha^-1(p<0.01)，并增加倒伏评分0.22(p<0.001)。对成熟期和株高则无显著影响。

环境特异性分析显示，蛋白质含量的增加幅度在2.9-6.0 g kg^-1之间变化，且在7个环境中达到显著水平。油分含量仅在2个环境中显著降低(最多1.6 g kg^-1)，产量在3个环境中显著降低(最多320.4 kg ha^-1)。

研究结论与意义

本研究成功在不同于先前报道的遗传背景中验证了来自野生大豆的Chr14蛋白质QTL，并将其精细定位到0.6 Mbp区域。研究发现该QTL能够稳定提高蛋白质含量而不影响油分含量，虽然对产量和倒伏有一定负面影响，但效应大小因环境而异。

研究人员开发了18个KASP标记用于该区域的分子标记辅助选择，并鉴定了13个候选基因(2个用于蛋白质QTL，5个用于Chr8油分QTL，6个用于Chr14油分QTL)。这些遗传工具和基因资源为大豆品质育种提供了宝贵材料。

特别值得注意的是，研究发现了一些同时具有高蛋白质含量和与轮回亲本相当产量的回交系，这些材料可直接用于育种计划，培育具有改良种子组成且无产量损失的大豆品种。

该研究的创新之处在于：首次在不同遗传背景中验证了野生大豆来源的蛋白质QTL；全面评估了该QTL对多个农艺性状的影响；将QTL区域精细定位到较窄区间并鉴定了候选基因；开发了实用的分子标记用于育种应用。

这些发现不仅加深了我们对大豆种子组成遗传基础的理解，也为分子设计育种提供了具体靶点和工具，对应对全球粮食安全和营养需求挑战具有重要意义。未来研究需要进一步解析候选基因的功能机制，并探索通过基因编辑或精准回交策略打破不利连锁，实现蛋白质含量提高而不伴随产量损失的理想目标。