我国大豆种质资源脂肪性状的变异、遗传与基因定位的研究

论文摘要

大豆[Glycine max（L．）Merr．]原产于我国，是当今世界上最重要的植物蛋白与食用植物油的来源。大豆油大约占世界植物油市场的35％。大豆油富含人体必需脂肪酸，其品质主要由其所含的脂肪酸种类和数量决定。我国大豆种质资源类型丰富，分布广泛，不同生态区域间品质特性存在巨大差异。探讨不同生态区域大豆种质资源脂肪及脂肪酸组分含量的变异及遗传机制，对开展大豆脂肪品质育种、改善大豆脂肪品质、提高必需脂肪酸含量，具有重要的理论及实践意义。关于大豆脂肪性状（本文所称脂肪性状，系指大豆籽粒脂肪含量及其脂肪酸组分）的生态特点、地理分布及遗传机制研究，国内不同学者进行了分析，并取得了初步结果。但前人的研究主要侧重于蛋白质和脂肪含量，脂肪酸组分研究较少，且多局限于局部地区的材料，其研究结果的参考价值受到限制。开展大豆脂肪品质育种，人们真正关心的是特定生态区域内大豆种质资源脂肪性状的变异特点。本文旨在前人研究的基础上，利用我国丰富的大豆种质资源，进一步系统研究我国大豆种质资源脂肪含量及脂肪酸组分的变异特点，探讨其遗传机制，定位脂肪性状QTLs，筛选与之紧密连锁的分子标记，发掘优异资源，为不同生态区域大豆脂肪品质育种提供参考。2002年夏，在南京农业大学大豆研究所种质库保存的15000余份资源材料中，按不同来源地抽取各类具有代表性的栽培大豆和野生种，在南京农业大学江浦实验站进行田间试验，并调查测定农艺品质性状。按盖钧镒（2001）的生态区划结果，应用主成分分析法分析各生态区域大豆脂肪性状的变异。探讨不同生态区域大豆种质资源脂肪性状的变异特点。结果表明：（1）从全国水平看，栽培大豆脂肪平均含量（17.21％）显著高于野生种（10.99％），油酸平均含量（23.25％）显著高于野生种（15.50％），亚麻酸平均含量（8.00％）显著低于野生种（12.23％），亚油酸平均含量（53.53％）略低于野生种（56.10％）；栽培大豆和野生大豆的饱和脂肪酸含量差异不大。（2）同一生态区域内栽培大豆脂肪、油酸、亚麻酸、硬脂酸存在较大变异，变异系数一般大于10％，棕榈酸和亚油酸变异较小，变异系数一般小于10％；不同生态区域间脂肪、脂肪酸组分平均含量差异不大。野生种的变异趋势与栽培大豆相似。（3）大豆种质资源脂肪性状在生态区域间存在不同的变异特点和方向，变异的主成分数为2～4个，主成分解释原有变异累计方差贡献率均在80％以上，但第1主成分主要由不饱和脂肪酸和脂肪含量的变异构成，占总变异方差的大部分，饱和脂肪酸的变异相对较小。总之，栽培大豆脂肪含量显著高于野生种，但其变异相对减小。不同区域间栽培大豆脂肪平均含量的变异并不比区域内的变异大，各个区域均存在丰富的变异；野生种脂肪平均含量的变异与栽培种相似。栽培大豆油酸平均含量显著高于野生种，亚麻酸平均含量显著低于野生种，亚油酸平均含量略低于野生种。在不饱和脂肪酸含量变异中，油酸在区域内和区域间均存在丰富变异；亚油酸在区域内和区域间变异都不大；亚麻酸在区域间变异不大，在区域内存在较大变异。栽培大豆和野生种情况皆如此。栽培大豆和野生大豆的饱和脂肪酸含量变异不大。此外，同一区域内，栽培大豆和野生大豆的变异方向也不一致。遴选出一批优异种质。在资源筛选的基础上，以农艺、脂肪性状差异较大的ZDD2315、Essex等大豆种质资源为主要试验材料，配置杂交组合，研究大豆脂肪含量和脂肪酸组分的遗传机制。以Essex×ZDD2315的4个世代：P1、P2、F1、BC1F3家系为材料，用主基因+多基因混合遗传模型分析大豆脂肪含量及脂肪酸组分的遗传机制。结果表明：大豆脂肪含量受2对加性互补主基因+多基因控制，主基因遗传率为16.23％，多基因遗传率为53.49％。棕榈酸、硬脂酸和亚油酸均为3对主基因+多基因遗传模型，其中均有2对主基因效应为等加性，主基因遗传率分别为71.63％，91.51％和91.59％；棕榈酸多基因遗传率为14.78％，硬脂酸和亚油酸未估计出多基因遗传率。油酸为3对加性主基因遗传模型，其中2对主基因效应为等加性，主基因遗传率为74.66％。亚麻酸为2对等加性主基因+多基因遗传模型，主基因遗传率为41.98％，多基因遗传率为24.17％。相关分析结果，棕榈酸、亚麻酸与脂肪呈极显著负相关（-0.272、-0.325）；油酸与亚油酸亚麻酸呈极显著负相关（-0.833、-0.604）；亚油酸和亚麻酸呈极显著正相关（0.287）；棕榈酸与油酸亚油酸呈极显著和显著负相关（-0.255和-0.211）；硬脂酸与亚油酸呈极显著负相关（-0.310）。脂肪含量及脂肪酸组分的遗传涉及到主基因和多基因，脂肪及亚麻酸含量的主基因遗传率较低，其它性状主基因遗传率均在70％以上，改善脂肪含量要注重多基因的积累，改善脂肪品质可着重在主基因的利用，提高脂肪含量与改善脂肪酸组分无突出矛盾。在遗传分析的基础上，开展了大豆脂肪性状QTL定位研究。以组合Essex×ZDD2315的BC1世代为作图群体（114个单株），利用MAPMAKER 3.0.作图软件，用250个SSR标记和1个形态标记构建了包含25个连锁群的遗传图谱。该图谱覆盖大豆基因组2963.5cM，平均每个连锁群上10.0个标记，标记平均间距11.8cM。采用Win QTL Cartographer Version 2.5，利用复合区间作图法（CIM）检测到18个控制脂肪含量及脂肪酸组分的QTL（fat-1、fat-2、pal-1、pal-2、pal-3、st-1、st-2、st-3、ole-1、ole-2、ole-3、lin-1、lin-2、lin-3、lin-4、lio-1、lio-2、lio-3），位于9个不同的连锁群上（B2、C1、D1b-1、D2、E、H-1、I、L、N-1），表型贡献率为8.2％～39.3％；多区间作图法（MIM）检测到与CIM区间相同的7个QTL（fat-1，pal-1，st-1，ole-1，lin-1，lin-4和lio-2），区间相近的2个QTL（ole-4和lin-5），位于6个不同的连锁群上（B2、C1、D1b-1、D2、H-1、N-1），表型贡献率为9.6％～34.5％。CIM法检测到的其他9个QTL有待进一步验证。筛选到6个与脂肪性状QTL共分离或紧密连锁的SSR标记：Sat334与脂肪含量QTL fat-2共分离，Satt161与棕榈酸含量QTL pal-2共分离，Satt166与亚麻酸含量QTL lio-3共分离，它们分别解释了8.7％、15.4％和8.2％的表型变异；Sat230与硬脂酸含量QTL st-1相距0.1cM，Satt290与亚油酸含量QTL lin-3相距0.1cM，Satt384与亚麻酸含量QTL lio-1相距0.1cM，分别解释了39.3％、8.3％和13.5％的表型变异。QTL定位中常有假阳性问题，而植物数量性状又大多由主基因和微效多基因共同控制，因此，对该类性状进行QTL定位时，最好通过CIM和MIM两种方法比较分析，以从中确定主要的QTL及可能存在或有待验证的QTL。大豆脂肪含量及脂肪酸组分的主效QTL数量不多，效应大的不多，可能还受许多未能检测出来的微效基因控制，育种中既要注意主效QTL的利用，又要考虑微效多基因的积聚。本文利用主成分分析法对不同生态区域大豆脂肪性状变异进行了分析，其结果对全国范围内大豆脂肪品质育种具有一定的参考价值。通过分离分析方法和QTL定位法对大豆籽粒脂肪含量及脂肪酸组分的遗传机制进行了研究，两种方法的分析结果有相对一致性。本研究筛选到的与脂肪性状QTL共分离或紧密连锁的分子标记可供大豆脂肪性状品质性状育种中使用标记辅助选择时参考。但是，本研究对大豆脂肪性状遗传机制的研究仍为初步的结果，定位结果与前人的结果有一定的差异，品质性状相关基因的确切数目和精细定位尚未可知。对不同生态区域种质资源脂肪性状变异的研究，未作统计假设和显著性测验。因此，上述内容有必要继续开展进一步的深入研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一部分 文献综述
• 第一章 文献综述
• 1.1 大豆在国民经济及人们生活中的重要地位
• 1.2 大豆籽粒脂肪及其脂肪酸的组成
• 1.3 我国大豆种质资源脂肪及其脂肪酸组成的测定
• 1.4 我国大豆生态区域种质资源脂肪性状变异特点
• 1.5 大豆脂肪含量及其脂肪酸组分的遗传研究
• 1.5.1 大豆脂肪含量及其脂肪酸组分与农艺性状的关系
• 1.5.2 大豆脂肪含量及其脂肪酸组分遗传的遗传机制
• 1.6 分离分析检测QTL的方法及其应用
• 1.7 大豆脂肪性状基因定位研究进展
• 1.7.1 用于定位的遗传图谱和标记类型
• 1.7.2 大豆脂肪含量及脂肪酸组分的QTL定位结果
• 1.7.3 大豆脂肪性状QTL定位结果的一致性
• 1.7.4 大豆脂肪性状QTL定位方法探讨
• 1.8 本研究的目的与意义
• 第二部分 研究报告
• 第二章 我国大豆种质资源脂肪及脂肪酸组分变异特点
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 田间试验设计
• 2.1.3 脂肪含量与脂肪酸组分测定
• 2.1.4 数据分析
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 全国和各生态区域大豆种质资源脂肪含量及脂肪酸组分的变异
• 2.2.1.1 脂肪含量的变异
• 2.2.1.2 不饱和脂肪酸含量的变异
• 2.2.1.3 饱和脂肪酸含量的变异
• 2.2.1.4 脂肪含量及脂肪酸组分的聚类分析
• 2.2.1.5 脂肪含量及脂肪酸组分与地理纬度的关系
• 2.2.2 全国和各生态区域大豆种质资源脂肪含量及脂肪酸组分的综合变异
• 2.2.2.1 脂肪性状的多元变异度
• 2.2.2.2 脂肪性状的综合变异特点
• 2.2.3 大豆脂肪含量及脂肪酸组分特异种质筛选
• 2.3 讨论
• 第三章 大豆脂肪含量及脂肪酸组分和农艺性状的遗传分析的遗传分析
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 试验材料及群体构建
• 3.1.2 田间试验设计
• 3.1.3 品质测定
• 3.1.4 遗传分析方法
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 脂肪含量的遗传分析
• 3.2.2 棕榈酸含量的遗传分析
• 3.2.3 硬脂酸含量的遗传分析
• 3.2.4 油酸含量的遗传分析
• 3.2.5 亚油酸含量的遗传分析
• 3.2.6 亚麻酸含量的遗传分析
• 3.2.7 脂肪含量及脂肪酸组分的相关性
• 3.2.8 主要农艺性状的分离分析
• 3.3 讨论
• 3.3.1 关于大豆脂肪含量及其脂肪酸组分遗传体系的讨论
• 3.3.2 大豆脂肪酸组分的遗传机制及对脂肪性状品质育种的启示
• 第四章 大豆脂肪含量和脂肪酸组分及农艺性状QTL定位
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 定位群体构建及农艺性状鉴定
• 4.1.2 品质测定
• 4.1.3 SSR分析
• 4.1.4 连锁图谱构建
• 4.1.5 QTL定位
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 遗传图谱构建
• 4.2.1.1 群体评价
• 4.2.1.2 遗传图谱构建
• 4.2.2 脂肪性状QTL定位
• 4.2.2.1 脂肪含量的QTL定位
• 4.2.2.2 棕榈酸含量的QTL定位
• 4.2.2.3 硬脂酸含量的QTL定位
• 4.2.2.4 油酸含量的QTL定位
• 4.2.2.5 亚油酸含量的QTL定位
• 4.2.2.6 亚麻酸含量的QTL定位
• 4.2.3 非连锁标记与大豆脂肪性状关系分析
• 4.2.4 农艺性状的QTL定位结果
• 4.2.4.1 农艺性状与大豆脂肪性状的相关分析
• 4.2.4.2 生育期的QTL定位结果
• 4.2.4.3 单株粒重的QTL定位结果
• 4.2.4.4 单株粒数的QTL定位结果
• 4.2.4.5 单株荚数的QTL定位结果
• 4.2.4.6 百粒重的QTL定位结果
• 4.2.5 脂肪性状QTL与控制农艺性状的QTL之间的关系分析
• 4.3 讨论
• 4.3.1 定位图谱构建
• 4.3.2 不同群体QTL定位结果的比较
• 4.3.3 QTL定位结果与分离分析结果的比较
• 4.3.4 大豆脂肪含量及脂肪酸组分相关的遗传基础分析
• 4.3.5 品质性状QTL与控制农艺性状的QTL之间的关系
• 第五章 讨论及全文结论
• 5.1 讨论
• 5.1.1 我国大豆种质资源脂肪性状的变异
• 5.1.2 大豆脂肪性状的遗传机制研究
• 5.1.3 我国大豆脂肪性状品质育种展望
• 5.2 全文结论
• 5.2.1 我国大豆种质资源脂肪含量及脂肪酸组分的变异特点
• 5.2.2 大豆脂肪含量及脂肪酸组分的遗传机制
• 5.2.3 大豆脂肪含量及脂肪酸组分的QTL定位
• 参考文献
• 撰写论文情况
• 致谢