野生大豆 × 栽培大豆巢式关联作图群体解析及种子成分性状相关位点鉴定

《Theoretical and Applied Genetics》：Characterization of a G. max?×?G. soja nested association mapping population and identification of loci controlling seed composition traits from wild soybean

为挖掘野生大豆种子成分性状相关位点，研究人员构建 NAM 群体，发现新 QTL 及候选基因，助力大豆遗传改良。

　　大豆，作为重要的豆科作物，在人类食物、动物饲料及工业产品领域都有着不可或缺的地位。大豆油提取后的副产品豆粕，是动物饲料中蛋白质和氨基酸的关键来源。然而，大豆种子蛋白质存在着明显的 “短板”，其含硫氨基酸（半胱氨酸、蛋氨酸）、赖氨酸和苏氨酸的含量相对较低，而这些氨基酸对于单胃动物来说无法自身合成，必须从饲料中获取。为了弥补这些氨基酸的不足，在动物饲料中添加相关氨基酸成为了一种选择，但这不仅增加了生产成本，还可能在豆粕加工过程中引发一系列问题，比如产生不良挥发性硫化物。

与此同时，经过长期的驯化和选育，现代美国大豆品种的遗传变异性大幅降低，而野生大豆作为栽培大豆的祖先，蕴含着丰富的遗传多样性，在提高种子蛋白质含量、增加含硫氨基酸浓度等方面具有巨大的潜力。然而，此前关于大豆种子成分性状相关位点的研究，大多集中在栽培大豆群体，野生大豆在很大程度上被忽视了。

在这样的背景下，为了深入挖掘野生大豆在种子成分性状方面的遗传潜力，美国农业部农业研究中心等机构的研究人员开展了一项极具意义的研究。相关成果发表在《Theoretical and Applied Genetics》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，构建了由 10 个家系和 1107 个重组自交系（RILs）组成的巢式关联作图（NAM）群体，该群体是通过将 10 个野生大豆材料与普通栽培品种 “NC-Raleigh” 杂交获得。其次，运用近红外分析仪对种子成分进行测定，并利用 CTAB 法提取基因组 DNA，通过特定的基因芯片进行基因分型，构建遗传图谱。此外，借助 SAS 9.4 软件进行表型数据分析，使用 ICIMapping 4.2 软件进行 QTL 连锁作图，采用 RTM-GWAS 方法鉴定与种子成分相关的 QTLs。

在研究结果方面：

• 群体结构和 LD 分析：通过主成分分析（PCA）和结构分析，发现 NAM 群体分为三个主要聚类，群体分层较弱，LD 衰减距离为 550.6 kb。
• 重组事件和分离畸变：该 NAM 群体平均每个 RIL 的重组事件数为 111.0，显著高于仅由栽培大豆组成的 NAM 群体。同时，约 7.16% 的 SNP 表现出分离畸变，且大多数分离畸变的 SNP 偏向野生大豆亲本等位基因。
• 表型变异和相关性分析：在四个环境中，NAM 群体在种子蛋白质、油、总蛋白质和油、蛋氨酸、半胱氨酸、赖氨酸和苏氨酸含量等方面表现出广泛的变异。方差分析表明，这些性状受基因型和环境的显著影响，且遗传力较高。此外，蛋白质含量与油含量呈显著负相关，与四种氨基酸含量呈正相关，油含量与四种氨基酸含量呈负相关。
• QTL 定位：通过单家系连锁作图（SLM）和全基因组关联分析（GWAS），研究人员在不同性状上鉴定出了大量 QTLs。例如，在蛋白质含量方面，SLM 共鉴定出 99 个 QTLs，整合后得到 52 个非冗余 QTLs；GWAS 在 20 条染色体上共检测到 108 个 QTLs。在油含量、总蛋白质和油含量以及氨基酸含量等性状上也有类似的发现。
• QTL 等位基因效应分析：研究发现野生大豆亲本在蛋白质含量相关 QTL 上含有更多正效应等位基因，而在油含量相关 QTL 上，栽培大豆亲本含有更多正效应等位基因。不过，在总蛋白质和油含量以及氨基酸含量相关 QTL 上，野生大豆亲本也存在一些具有正效应的等位基因。
• 候选基因预测：根据 QTL 定位结果，研究人员预测了与蛋白质、油和氨基酸含量相关的候选基因。这些候选基因涉及氨基酸合成、蛋白质代谢、脂质合成、信号转导等多个生物学过程。

在研究结论与讨论部分，该研究首次揭示了野生大豆衍生群体的遗传特征、QTL 图谱以及不同野生大豆亲本控制性状的 QTL 和候选基因的作用范围。研究发现野生大豆在提高栽培大豆种子蛋白质含量和改善氨基酸平衡方面具有巨大潜力，尽管野生大豆存在一些不利于育种的性状，但新鉴定的等位基因和候选基因在实际应用中具有重要价值。同时，该研究为进一步挖掘野生大豆的遗传资源，利用野生大豆改良栽培大豆种子成分性状提供了新的知识和理论依据，对大豆遗传育种研究具有重要的推动作用。