综述：平衡之道：培育高油高蛋白大豆品种的进展与展望

《Frontiers in Plant Science》：Balancing act: progress and prospects in breeding soybean varieties with high oil and seed protein content

本综述系统阐述了大豆油分与蛋白含量的遗传调控机制及代谢权衡，重点介绍了通过多组学整合（基因组学、转录组学、蛋白组学）和分子育种策略（如CRISPR、等位基因叠加）打破两者负相关性的前沿进展，为培育兼具高油（OC）与高蛋白（PC）的突破性大豆品种提供了新视角。

　　

遗传与组学视角下的大豆蛋白含量

蛋白质组学揭示种子蛋白积累的关键调控因子

蛋白质组学已成为阐明大豆种子发育过程中蛋白质表达动态和调控的有力工具。近年来，蛋白质组学被广泛应用于分析种子贮藏过程中的酶表达和调控机制。通过同位素标记相对和绝对定量（iTRAQ）技术，研究人员在根毛和发育中的种子中鉴定出参与脂质代谢、胁迫响应和贮藏蛋白生物合成的特定蛋白质，从而揭示了种子发育和营养积累的分子基础。液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术的发展使得高通量蛋白质组学成为可能，显著提高了研究效率。然而，挑战依然存在，如何将这些蛋白质组学见解转化为能够精确控制种子蛋白和油分含量的实用育种策略是关键难题。

大豆贮藏蛋白的功能分类与组成

大豆种子含有三种主要的贮藏成分：蛋白质、油脂和碳水化合物，其中蛋白质约占普通大豆品种干重的40%。这些蛋白质根据其沉降系数被分为4个组分：2S、7S、11S和15S。其中，7S和11S球蛋白最为重要，占总种子蛋白含量的70%以上。7S组分主要由β-伴大豆球蛋白（β-conglycinin）组成，它是一种由α、α’和β亚基组成的异源三聚体，由15个基因（CG-1 到 CG-15）编码。11S组分则仅包含大豆球蛋白（glycinin），它是一种由酸性和碱性多肽组成的六聚体。大豆球蛋白与β-伴大豆球蛋白之间的平衡影响大豆蛋白的氨基酸谱和营养价值。

转录组学与共表达分析识别调控枢纽

多个转录因子已被确定为种子发育的关键调控因子，包括WRINKLED1（WRI1）、APETALA2（AP2）、VIVIPAROUS1/ABI3-LIKE（VAL）、FERTILIZATION INDEPENDENT ENDOSPERM（FIE）、GLABRA2（GL2）、PICKLE（PKL）和DNA-binding-with-one-finger（Dof4）。这些转录因子影响种子灌浆过程中的碳水化合物、油脂和蛋白质沉积。最近，通过RNA测序（RNA-seq）和共表达分析，还鉴定出了LEC2、ABI3和SWEET10a等枢纽基因。

蛋白质沉积中的激素与转录网络

在拟南芥中，LAFL网络（包括FUS3、ABI3、LEC1和LEC2）已被充分证明可控制贮藏蛋白基因的表达。该网络在大豆中高度保守。过量表达GmLEC2a可增强贮藏蛋白基因的表达。植物激素，特别是脱落酸（ABA）和赤霉素（GA），与LAFL网络密切相互作用以调节种子蛋白积累。ABA通过促进贮藏蛋白基因的表达来增强贮藏蛋白的积累，而ABA/GA的比率调节种子成熟和贮藏蛋白生物合成之间的转换。

QTL定位与蛋白质性状改良的分子靶点

在大豆种子蛋白含量相关的数量性状位点（QTL）定位方面已取得显著进展。例如，第20号染色体上的LG I一直与高蛋白等位基因相关，最近研究确认Glyma.20G085100是一个候选基因，可使种子蛋白含量提高2%-3%。高级QTL定位和全基因组关联分析（GWAS）也发现了新的位点，例如与影响碳氮分配的QQS基因相关的位点。

遗传与组学视角下的大豆油分含量

油脂合成的转录组学与蛋白质组学见解

转录组学和功能基因组学研究揭示，FAD2-1A和FAB2C等基因的突变会显著改变大豆种子中的油酸和硬脂酸水平。蛋白质组学分析表明，GmDGAT1-2的过表达会导致过氧化物酶下调、油酸上调，从而显著改变总脂肪酸组成。

油脂生物合成的转录调控

几个转录因子已被确定为大豆油脂生物合成的关键调控因子。GmLEC2是一种B3结构域转录因子，通过激活脂质生物合成基因来增强TAG含量。在组成型或种子特异性启动子控制下的GmWRI1a，通过激活脂质积累多个步骤的基因，显著增加种子含油量。糖转运蛋白基因SWEET10（GmSWEET10a和GmSWEET10b）介导蔗糖和己糖从种皮向胚的运输，影响种子大小和组成。GmZF351和GmZF392的协同作用进一步促进了脂质生物合成。

脂肪酸积累与合成途径

大豆中的脂肪酸（FA）积累周期相对较短，通常发生在子叶中。在植物种子中，FA主要以三酰甘油（TAG）形式储存，其生物合成依赖于碳水化合物（如来自光合自养组织的蔗糖）的流动。该过程始于由乙酰辅酶A从头合成FA，然后FA在质体中被FA合酶复合体延伸，最后被输出到内质网形成TAG。这些TAG储存在油体中。

大豆种子油分的遗传调控

大豆油主要由五种脂肪酸组成：棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸和亚麻酸。GmKASIIB、GmFATB和GmFATA等关键基因的遗传突变已被证明可显著改变这些FA的组成。例如，GmFATB的突变可以降低棕榈酸含量。相反，过量表达GmFATA可增强整体FA生物合成并可能提高种子产油量。FAD2和FAD3在将油酸转化为亚油酸和亚麻酸中的作用已得到充分证实。最近的QTL和GWAS分析发现了与种子油分相关的多个位点和候选基因，例如GmMFT和GmOLEO1。

大豆油分与蛋白之间的权衡

大豆育种中最重大的挑战之一是在油分和种子蛋白含量之间取得最佳平衡，鉴于这两个性状之间常常存在负相关关系。这种权衡部分源于共享的生物合成途径以及发育过程中对碳和氮资源的竞争。经典的回交育种和现代基因组学工具都证实了这种拮抗关系。绝大多数（94%）与性状相关的位点对蛋白和油分含量具有拮抗效应。然而，通过了解多效性调控因子（如GmSWEET39、LEC2、ABI3）并结合网络层面的理解，为开发平衡而非妥协的大豆品种提供了有希望的途径。

打破油分-蛋白权衡的基因组编辑与分子育种策略

要实现大豆油分和种子蛋白含量的同步改良，需要对代谢结构进行系统层面的重新思考。我们提出了一个分层设计，包括：（i）前体供应（蔗糖、氨基酸运输），（ii）通量导向（关键转录因子和代谢酶），（iii）贮藏效率（蛋白质/油体组装），以及（iv）代谢稳定性（反馈抑制、周转预防）。在代谢通量控制方面，GmWRI1a、GmLEC2、FATA/FATB、PDCT和DGAT1–2构成了脂肪酸合成和TAG包装的高效轴。而蛋白质积累则由CG-1~CG-15（β-伴大豆球蛋白亚基）、Glyma.20G085100和LAFL网络的组分驱动。有希望的策略包括精确编辑组合、利用“桥梁”基因（如GmSWEET39）以及时相特异性调控（例如，在种子成熟中期驱动脂肪酸生物合成基因，随后在晚期激活蛋白质相关调控因子）以暂时解耦油分和蛋白的积累。

未来展望

尽管在理解大豆种子油分和蛋白含量的遗传和分子基础方面取得了显著进展，但打破这些性状之间的内在权衡仍然是一项艰巨的挑战。未来的努力必须集中于整合多层策略，同时解决代谢流、调控控制和环境适应性。这包括精确的基因组合工程、时相分离策略、网络水平建模和基因型-环境互作分析，以及利用野生大豆等位基因多样性结合CRISPR介导的精细调控。通过结合系统水平的见解、先进的遗传工程和策略性的性状调度，未来大豆品种有望克服历史限制，接近高油和高蛋白生产力的双重理想。