大豆育种的遗传学基础

第一节　大豆育种的遗传学基础

一、大豆主要性状的相关性

大豆主要性状分为质量性状和数量性状两类。质量性状，如大豆色素（花色、茸毛色、荚熟色、种皮色、脐色、子叶色等），生长和形态（开花期、成熟期、种子性状、茎、叶、叶柄、花序生长特性、茸毛类型、矮秆等）和生理性状（营养因子、根部荧光、叶绿素缺失、根瘤菌反应等），雄性不育、抗病虫性、同功酶、蛋白质等。质量性状的遗传由少数基因控制，性状表现为不连续，易于分组，大都不受环境影响。数量性状，如大豆发育时期，株高、种粒大小、直立性、抗倒性、株型有关性状（主茎节数、分枝数、荚比、蔻层中的叶部性状）、光合能力、产量、脂肪含量、蛋白质含量等。数量性状的遗传由微效多基因控制，性状表现为连续，不易分组，易受环境影响。这两类性状的区分是相对的。如大豆株高属数量性状，但高秆和矮秆品种杂交，后代表现为受1～2对基因控制的质量性状遗传方式。

大豆生育期、粒大小、种皮色是大豆的主要生态性状。产量性状与生育期正相关，早熟品种往往因植株矮、节少、单株荚数少而产量低。但必须充分利用当地生育期，因地制宜选择相应熟期的品种。生育期与产量相关受栽培条件影响，早熟品种在水肥充足条件下抗倒，经济系数高则产量高。生育期对产量的正效应是通过株高、节数、分枝数而增加生物学产量，达到一定增产效果。产量构成因素主要是荚数、粒数和粒重。每节平均结荚数与产量关系密切，田间选择时可作目标选择。主茎荚数，单株总荚数、单株粒数、百粒重、生殖生长期等性状与产量性状呈极显著正相关。百粒重在15～23克范围内，粒大小与产量关系不明显。转化系数是生物产量转化为经济产量的有关指标。经济系数是籽实产量与生物产量的比值，可用粒茎比代替经济系数用于育种。生物产量与经济产量相关极显著（r＝0．95^＊＊），经济系数与产量的相关系数为0．86^＊＊。在育种中应在一定生物产量基础上力求不断提高转化系数。在中等肥力条件下，充分的生物产量是丰产基础，在水肥条件充足条件下应着重提高转化效率。大豆种子蛋白质含量与产量呈负相关趋势，高蛋白品种往往产量偏低，脂肪含量与产量正相关（r＝0．35）。在高产育种中可适当注意改进品质，对高蛋白专用品种选育应适当放宽对丰产性要求。蛋白质含量与脂肪含量呈负相关，在育种中选育高产品种时可兼顾二者的提高，使之成为兼用型品种，选育高蛋白或高脂肪专用品种时应按不同目的选择方向单独选择。

蛋白质和脂肪含量与生育期的相关值分别呈现不同情况，开花期晚及晚熟材料蛋白质含量高，开花早及早熟品种脂肪含量高，结荚期长的品种脂肪含量高。蛋白质含量与品种原产地纬度高低负相关，脂肪与纬度正相关。不同粒色蛋白质含量高低趋势是籽粒青色品种蛋白质含量大。栽培大豆百粒重在15～23克范围内粒大小与品质关系不密切。野生大豆和栽培大豆杂交后代中多是小粒的蛋白质含量高，油分低，在野生大豆及栽培大豆×野生大豆的杂交后代中，高大、枝多、细茎、小叶、小荚、弯荚、小粒型蛋白质含量高。

栽培大豆还没有固定的植株形态作品质选择的模式，在地方品种中蛋白质含量高的种质多为高大、晚熟、棕毛、紫花、小粒或中小粒型。随着品种改良和定向选择，极早熟或早熟、大粒、中小粒新品种蛋白质也可达50％左右。

栽培大豆粒大小与植株形态性状关系不那么密切。高大、节多、荚多、长叶、每株粒数多的品种有籽粒偏小趋向，出苗到开花日数少、植株不高、耐倒、结荚部位低、宽叶品种粒偏大。可通过荚长、荚宽对粒大小进行选择。

二、大豆主要性状的遗传力

生育期、品质、株高、主茎节数等都有较高的遗传力（表2－1）。其遗传力大小排列顺序大致为开花期、成熟期＞株高＞主茎节数、百粒重、粒茎比、蛋白质含量、脂肪含量、光合速率＞有效节数，倒伏程度＞分枝数、主茎荚数＞总荚数、秕荚率＞单株粒数、单株粒重。

表2－1 大豆主要数量性状遗传力经验值

随着世代增进，遗传力提高。愈是遗传力低的性状世代增进的遗传力提高速度愈快。不同组合间遗传力大小取决于亲本间差异，凡亲本间差异大，变异广泛的组合遗传力高。随着环境的改善，环境方差，基因方差和遗传力均高。

三、大豆主要数量性状遗传进度与选择指数

（一）遗传进度

对一个分离的杂交后代群体，在一定的选择率下，按一定的选择方向选择，其后代所获得的遗传改进称为遗传进度。大豆主要数量性状的遗传进度趋势：

1．入选率低，选择强度大，遗传进展大。

2．遗传进度以播种—开花日数、生育日数、株高为高，单株荚数、百粒重居中，由高低顺序：分枝数、单株荚数、单株粒数、单株粒重＞株高、主茎节数，主茎荚数＞百粒重、生育日数、蛋白质和脂肪含量。

3．不同试验材料和试验条件的遗传进度不同，主要取决于试验材料的变异性。

大豆主要数量性状对产量、品质的相关遗传进度：高产优质是大豆育种的主要目标，但受环境影响大，遗传力不高，在早期世代不宜进行直接选择，是通过与产量或品质关系密切、遗传力高、便于目测或检测的性状的选择达到间接选择的目的。其间接选择效果可通过相关遗传进度（RG）的公式计算。对性状X的选择，Y性状的相关遗传进度

式中：rgx．y——x．y两性状的基因型相关系数；

δ²px——x性状的表现型方差；

h²x、h²y——x．y两性状的遗传力；

K——遗传强度（以标准差为单位的选择差）。

（二）选择指数

选择指数是根据与育种目标性状相关密切，遗传力较高，便于选择的多个性状的表现编制的：

选择指数I＝b_lx₁＋b₂x₂＋b₃x₃＋…＋b_nx_n

式中：b₁．b₂……b_n——各性状的加权值。

各种性状的加权值可以是育种者根据各性状对目标性状的重要性，凭经验给出，也可以根据表现型和基因型和协方差分析得到有关参数，通过解线性方程组求出。

各项b值已知后，各性状的表现值代入方程就得到选择指数。只有接近或超过100％的选择指数的方案才是可取的。选择指数中包括的性状数对指数的选择效果有很大影响，一般含有三四个性状即可。单株节数、结荚密度、百粒重或单株节数、百粒重、粒茎比编制的二个指数只含三个性状，选择效果高。选择指数中各性状加权值（b值）是根据遗传型和表现型的方差和协方差分析得到的各项估计参数计算的。因其来源和范围不同，选择指数分为特殊的、平均的和通用的三种类型。以特殊指数效果好，和直接选择产量进度相似。通用指数的选择进度与特殊指数的遗传进度高度相关。高产、高蛋白、高脂肪等复合育种目标性选择中选择指数的应用还缺乏深入研究。

四、大豆亲本选配中的遗传距离和配合力

（一）大豆亲本选配中的遗传距离

丰富亲本遗传基础，扩大亲本来源是大豆育种的关键之一。运用多元分析、主成分分析、聚类分析等方法，根据亲本的数量性状等表现型资料，用遗传距离等作尺度综合地定量测定亲本的遗传差异（遗传距离），对科学评价种质资源和合理选配亲本有重要参考价值。

我国栽培大豆不同生态型群体地理生态分化明显，遗传距离较大；同一地理群体内存在季节生态分化，遗传距离相对较小，南方春大豆与东北春大豆熟期组相近，但遗传距离大于南方其他生态型。育种实践中看出亲本间距离远的组合优势强，后代变异广泛。

（二）大豆杂交亲本的配合力

亲本的一般配合力指亲本在各组合中的平均表现，是基因加性效应的反映。特殊配合力是指双亲杂交的特定组合中所表现的超出一般配合力之外的表现，是基因上位效应和显性效应的反映。测定配合力常用方法是完全双列杂交和不完全双列杂交方法。亲本配合力分析用来明确不同性状的基因作用方式，从而明确后代的选择策略。一般配合力显著的性状，选配亲本时更要注意双亲的平均值。蛋白质、脂肪含量一般配合力高，选配亲本时要注意双亲平均值的表现。产量性状一般配合力明显，但受环境影响大，难以使早代的配合力和高代的产量建立密切关系。大豆农艺性状基本上是以加性效应为主，一般配合力显著。产量性状和产量的加性效应较小，特殊配合力明显。对配合力的研究除通过早代分析推测外还可以总结育种经验、系谱记录等方面进行研究。

五、大豆分子遗传学与生物技术研究应用

自从1953年发现DNA双螺旋结构后，人类关于分子生物学的研究和应用进入了一个崭新的时代。随着分子遗传学研究的深入，20世纪70年代后期以来，植物基因工程技术得到了迅速发展，使人们逐步能够按照自己的意愿定向地改良作物的遗传性。有关植物基因工程的新技术、新方法不断涌现，更替频繁。

（一）DNA分子标记

控制作物农艺性状的遗传基因一般都是以杂种群体性状分离结果来进行鉴定或推论。但这一传统方法要受到多种遗传上的互作关系和环境条件的复杂影响，使基因定位十分困难。利用分子标记可以不受环境条件、发育时期、等位基因显隐性关系影响，能有效地进行基因定位和确定不同基因的连锁关系。用于植物基因标记的方法有：限制性片断长度多态性（RFLP，Restriction Fragment Length polymorphism），随机扩增多态性DNA（RAPD，Random Amplification polymorphic，DNA），扩增片断长度多态性（Amplified Fragment Length polymorphis，AFLP），微卫星DNA（microsatellite DNA），又称简单重复序列（Simphe seguence Repeat，SSR）。

近年来，在大豆资源研究中应用的分子标记大体分为两大类。一类是以分子杂交为基础的RFLP技术，一类是以PCR反应为基础的各种DNA分子标记，有DAF、RAPD、SSR、AFLP等技术。RFLP最先被应用到大豆遗传研究中（Apura等1988）。但从建立品种指纹图谱看此技术简单，探针信息量少，鉴别效率不高。RAPD技术以快速简单优点被用来鉴别大豆种质，但由于所采用引物TM值较低，扩增效果易受到外界条件影响。SSR标记在大豆种质研究应用较多，其多态性远远高于RFLP标记，但一次性检测的位点有限。AFLP技术结合了RFLP可靠性和PCR高效性优点，已成功地应用于大豆遗传图谱构建与遗传多样性研究中。AFLP标记检测大豆DNA多态性效率也明显高于RAPD标记。但该方法受到专利保护，分析试剂盒十分昂贵，还需同位素操作，用叶片提取DNA手续较多，影响分析效率。田清震等研究了AFLP技术在大豆上的应用，在改进大豆种子DNA提取方法的基础上，比较同位素与银染色检测方法的效果，筛选适宜于大豆AFLP分析的酶切和引物组合，且建立了适用于大豆指纹图谱快速鉴定的AFLP操作程序。该分析体系在得到稳定清晰的指纹图谱前提下可使由大豆种子到AFLP指纹鉴定的结果的整个过程缩短到2～3天，极大地提高了分析效率。田震清等还建立了我国92份野生大豆和栽培大豆代表性种质的AFLP指纹图谱，并分析其特点与差别，发现二种类型大豆的AFLP总带数相近，但野生大豆平均遗传多样性指数（0．296）明显大于栽培大豆（0．254），证明野生大豆由分子标记所提示的遗传多样性明显高于栽培大豆。应用AFLP对野生大豆和栽培大豆进行聚类分析，根据得到的348条多态性条带，计算材料之间的遗传相似系数，并进行多元统计分析，所有试验材料可以明显区分为野生大豆和栽培大豆两大类，发现了具有大豆种质间特异性的带纹M－CG／E－CGA－4。M－CG／EGA－12和M－CGG／E－GGC－14。在野生大豆中，根据AFLP揭示的遗传差异与地理来源一致的关系，可将野生大豆相应地区分为东北、黄淮海、西南、长江、中南五大类群；在栽培大豆中，AFLP揭示的材料间遗传关系与地理分布同样是基本对应的，显示出栽培大豆以地理分化为主的分化特点。朱申龙等采用AFLP和RAPD两种分子标记对我国不同地区的61份栽培大豆和野生大豆的遗传变异进行分析也清楚地分为两大类型，显示野生大豆遗传变异大于栽培大豆，并对种间、种内的遗传差异及育种利用、栽培大豆的起源进化等进行了探讨。邱丽娟等用RAPD标记，经聚类分析发现中国种质与美国种质分聚在不同类别，而国内的南北方种质分聚在不同亚类。Chen从我国三大产区依不同地理条件选择栽培大豆40份用RAPD标记评价及聚类分析，表明RAPD多态性结果与实际地理环境造成的多态性结果基本一致，反映了我国大豆的遗传多态性。陈艳秋等用RAPD及聚类分析法对146份秋大豆的测定分析结果看出秋大豆品种间极为丰富的遗传多样性，利用SSR标记检测其等位基因变异。郭欣等用200个SSR引物对8个秋大豆品种进行分析，已筛选出近100个引物用于中国大豆种质资源多样性研究及中国大豆种质资源DNA指纹图谱数据库的建立。

郭蓓等利用BSA（Bulk Segregation Analysis）法鉴定出一个多态性引物，在耐盐和盐敏感材料中都扩增出PCR产物。用大豆耐盐基因分子标记分析大豆品种资源，鉴定出耐盐种质42份。

邱丽娟等用与抗大豆孢囊线虫病基因rhgi紧密连锁的SSR标记Satt309分析了89个中国大豆品种资源。对79份抗SCN种质进行SSR分析，在SATT309位点鉴定出7个等位基因。68份具有134bp的种质来自于13个省，其中春大豆33份，夏大豆36份。认为在抗大豆孢囊线虫育种和种质创新时，可通过不同等位基因抗性种质间的杂交，获得抗性基因位点间的累加和利用具有相同等位基因的抗原时，应选用不同地理来源、不同种皮色、不同播期类型的材料进行杂交，以拓宽抗性种质的遗传基础和抗原。

（二）基因导入与转化

中国科学院遗传所从对SMV各株系免疫的抗原科丰1号中获得R基因同源序列，在大豆R基因同源序列及功能性R基因的克隆与鉴定研究上取得重要进展，第一个利用我国特有的抗原材料在国内构建大豆基因组BAC文库，为进一步进行大豆基因组研究和同位法克隆大豆抗病基因创造了条件。大豆雄性不育的基因工程研究获得大豆雄性不育工程植株，为在大豆生产利用杂种优势奠定了基础。魏国兰等利用花粉管通道法把非洲菊花器官C类基因gagal导入8个大豆品种中进行创造无花瓣大豆研究，探索在杂种优势利用中杂种制备的应用潜力。周思军等采用农杆菌介导的大豆子叶节转化系统，成功地将BT基因（crylA）导入大豆。黑龙江省农科院利用周光宇创立的花粉管通道法，即外源DNA直接导入技术将野生高蛋白大豆总DNA直接导入栽培大豆，育成了第一个转化的大豆新品种——高产优质高蛋白的大豆黑生101，该技术已申请国家发明专利。由海豆DNA导入育成高抗大豆孢囊线虫病、百粒重比原受体提高4克的丰产品系DZ05－8，由菜豆DNA导入育成成熟期比受体提早14天，丰产，外观好的D98－4等，导入花生DNA或云南大白芸豆DNA获得高油或大粒的导入株系。吉林农业大学利用花粉管导入法育成高产优质抗病新品种吉农9号。

（三）大豆的组织培养和细胞培养

花粉培养和花药培养都可以得到单倍体花粉植株。1979年黑龙江省农科院在世界上第一个获得大豆花粉植株。

大豆的组织培养和细胞培养，多集中在组织或器官上。大豆的上胚轴、下胚轴、真叶、复叶、幼胚、子叶等外植体，在合适的培养基和培养条件下都能产生愈伤组织，并分化成再生植株。自20世纪70年代以来，黑龙江、吉林等均获得再生植株。袁鹰等建起了利用东北地区现有推广品种，重复性较好的子叶节高频再生组织培养系统，并适合于农杆菌介导和基因枪方法进行遗传转化。针对大豆的基因型、激素、切割位点、诱导时间等对大豆再生植株的影响进行了研究。已获得农杆菌介导的目的基因（BT．CPTI和Bamase）对大豆的遗传转化，转基因植株开花结果。