韓德志，任玉龍，郭勇，閆洪睿，張雷，鹿文成，邱麗娟

1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院黑河分院，黑河 164300；

2.中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所，國家農(nóng)作物基因資源與遺傳改良重大科學工程，農(nóng)業(yè)部北京大豆生物學重點實驗室，北京 100081

大豆炸莢發(fā)生規(guī)律及分子遺傳基礎

韓德志1,2，任玉龍2，郭勇2，閆洪睿1，張雷1，鹿文成1，邱麗娟2

1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院黑河分院，黑河 164300；

2.中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所，國家農(nóng)作物基因資源與遺傳改良重大科學工程，農(nóng)業(yè)部北京大豆生物學重點實驗室，北京 100081

炸莢是野生大豆繁衍后代的一種原始自然屬性，同時也是栽培大豆減產(chǎn)的主要原因之一，因此對其發(fā)生規(guī)律和分子遺傳基礎的研究具有重要的理論意義和潛在的育種應用價值。文章在剖析抗炸莢大豆莢部細胞學微觀組織結構特征的基礎上，總結了大豆炸莢的發(fā)生規(guī)律和大豆炸莢表型性狀的鑒定指標與方法，介紹了抗炸莢種質鑒定與抗炸莢品種選育概況，同時詳細闡述了大豆抗炸莢性狀的分子遺傳基礎研究進展，最后對大豆抗炸莢性的研究與應用進行了展望。

炸莢性狀；細胞結構；炸莢檢測；遺傳規(guī)律；抗炸莢育種

炸莢是野生大豆的一個典型特征。Harpe[1]形象地把在特定時期大量種子從植株上降落的現(xiàn)象稱為種子雨。炸莢是栽培大豆(Glycine max L.Merr)祖先種——野生大豆(Glycine soja)繁衍后代的一種自然屬性，然而，炸莢現(xiàn)象的存在也是導致栽培大豆產(chǎn)量損失的主要因素之一。早在1989年，印度學者Philbrook和Oplinger便對熱帶和亞熱帶的大豆種植區(qū)中大豆炸莢造成的損失進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)易炸莢和中度炸莢大豆品種的田間產(chǎn)量損失分別為57~175 kg/hm2和0~186 kg/hm2[2]。根據(jù)張躍進等[3]的報道，我國黃淮流域主栽大豆品種因炸莢造成的田間產(chǎn)量損失也在112.5 kg/hm2左右，由此可見，大豆炸莢的發(fā)生給國內(nèi)外大豆產(chǎn)業(yè)均帶來了十分嚴重的損失。因此，大豆炸莢發(fā)生規(guī)律以及分子遺傳基礎方面的研究不僅具有理論意義，更具有潛在的實際應用價值。本文首先從細胞學角度剖析了大豆炸莢發(fā)生的結構特征，進而分析了大豆炸莢性狀的遺傳規(guī)律特點，總結了環(huán)境因素對炸莢的影響，最后從分子遺傳學角度詳細闡述了目前關于大豆炸莢分子標記開發(fā)與關鍵基因克隆及其功能研究的最新進展，旨在為今后大豆炸莢性狀的研究提供參考。

1 大豆炸莢的概念

大豆豆莢屬于莢果的一種，是由單心皮發(fā)育而來的果實。大豆完熟期時，因豆莢水分含量相對較低，致使豆莢的內(nèi)生厚壁組織層細胞的張力發(fā)生改變，莢皮圍繞著與內(nèi)生后壁組織層的纖維方向的平行軸呈螺旋扭轉而卷曲，進而將連接背、腹縫線的薄壁組織拉裂，最后，莢皮開裂的現(xiàn)象稱之為炸莢[4,5](圖1：A、B、C)。

2 大豆炸莢發(fā)生的細胞學結構特征

大豆品種間豆莢形態(tài)特征各異，同時大豆品種的炸莢表現(xiàn)形式也各不相同，暗示炸莢現(xiàn)象的發(fā)生可能與豆莢的組織結構特征密切相關。Carlson等[6]研究表明，大豆豆莢內(nèi)部厚壁層細胞水分丟失后產(chǎn)

生的扭轉拉力是炸莢發(fā)生的誘因；Tsuchiya[7]和Tiwari等[8]對栽培大豆豆莢的形狀、大小與炸莢率之間的關系進行了研究，發(fā)現(xiàn)抗炸莢品種豆莢的厚度與寬度的比值相對較大，豆莢的背部包帽的厚度、長度及莢皮厚度等3個莢部特征與炸莢呈顯著負相關；Christiansen等[9]和Summers等[10]則提出，在栽培大豆豆莢的背部和腹部的縫合線處存在類似于十字花科植物開裂區(qū)(Dehiscence zone)的類似結構(圖1：D、E)，該結構與大豆抗炸莢能力密切相關。

圖1 大豆炸莢性狀相關表型圖與莢部解剖圖A：大豆R6(鼓粒期)時期莢部形態(tài)；B：大豆R8(完熟期)時期炸莢形態(tài)；C：大豆R6時期橫向解剖圖；D：大豆腹縫線解剖圖；E：大豆背縫線解剖圖。

董陽等[11]以抗炸莢栽培大豆品種黑農(nóng)44和易炸莢的野生大豆ZYD00755為實驗材料，利用細胞學的研究手段證實，與野生大豆ZYD00755相比較，栽培大豆黑農(nóng)44豆莢腹縫線處纖維帽細胞(Fibre cap cell,FCC)次生細胞壁顯著增厚，而該處的離層結構無明顯差異(圖2B)，暗示FCC細胞次生細胞壁的增厚是栽培大豆品種具備抗炸莢性的主要因素。近期，F(xiàn)unatsuki等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在低濕度條件下，莢皮厚壁組織中富含木質素的細胞參與調(diào)控莢皮的扭曲力進而控制豆莢的開裂與否。

綜上所述，大豆抗炸莢的細胞學結構特征較多，正向遺傳學的研究已經(jīng)相繼證實豆莢腹縫線中FCC細胞次生細胞壁的厚度以及莢皮厚壁組織扭曲力的大小均是調(diào)控莢皮開裂的主要因素。鑒于上述用遺傳學方法研究雙親的特殊性和大豆炸莢現(xiàn)象的多樣性，相信后續(xù)的研究將會更加詳細地解析大豆炸莢發(fā)生的細胞學結構特征。

圖2 大豆莢皮與腹縫線開裂區(qū)解剖圖A：大豆莢皮解剖圖；B：大豆腹縫線開裂區(qū)放大圖。1：FCC細胞；2：AL細胞。

3 大豆炸莢發(fā)生規(guī)律及其影響因素

大豆炸莢造成的產(chǎn)量損失是大豆機器化生產(chǎn)中的主要損失之一。因此，為減少不必要的損失，許多學者對大豆炸莢的發(fā)生規(guī)律進行了研究。李啟干等[13]和彭玉華等[14]對我國黃淮流域主栽大豆品種的炸莢特性進行了統(tǒng)計分析，結果表明不同大豆品種從完熟期到開始炸莢的時間差異較大，多數(shù)品種6~10 d即開始炸莢，也有少數(shù)品種表現(xiàn)為完熟期即炸或者收獲時仍不炸莢，表明大豆炸莢是一個受多因素影響的數(shù)量性狀。目前，普遍認為遺傳與環(huán)境是影響大豆炸莢的兩大因素，其中遺傳是內(nèi)因，環(huán)境因素是外因，二者共同調(diào)控大豆炸莢的發(fā)生。

3.1 大豆炸莢的遺傳因素

彭玉華等[14~16]研究表明，相同環(huán)境因素下，不同大豆品種間的抗炸莢能力差異顯著。Nilmani等[17]的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大豆完熟期后10 d，參試材料的炸莢率在0.67%~67.05%之間，暗示遺傳背景對大豆炸莢發(fā)生的影響巨大。大量研究表明，大豆炸莢是一個主效基因+微效多基因共同調(diào)控的數(shù)量性狀。其中，控制炸莢性狀的主效基因表現(xiàn)為顯性，其他非等位基因與其表現(xiàn)為加性效應，共同調(diào)控炸莢性狀[18~24]。

3.2 大豆炸莢的環(huán)境因素

環(huán)境因素對大豆炸莢的發(fā)生具有雙重影響。比如我國北方秋季多數(shù)以干旱天氣為主，空氣干燥，大豆發(fā)生炸莢現(xiàn)象較多，而個別降雨偏多的年份，大豆則不發(fā)生炸莢。大豆炸莢主要是發(fā)生在完熟期，大豆成熟后植株及莢部生理脫水，在一定的環(huán)境條件下誘發(fā)炸莢。Metcalfe等[25]最早提出，相對濕度是影響豆科作物炸莢的主要環(huán)境因素，隨后Caviness等[26]的研究也證明了此觀點；Tsuchiya等[27]研究發(fā)現(xiàn)，低濕、高溫、快速的溫度變化及其多因素交替出現(xiàn)是大豆發(fā)生炸莢的普遍誘因，但沒有鑒定出影響炸莢的任何特定環(huán)境因子；Bailey等[28]、Romkaew等[29]也相繼提出影響大豆炸莢的重要環(huán)境因素是相對濕度；張躍進等[3]與馬賽斐等[15]的研究表明，空氣的相對濕度與炸莢率呈極顯著負相關，說明空氣的相對濕度是造成炸莢的主要外因，同時還提出炸莢率與日照時間長短、日平均氣溫無明顯的相關性；楊德旭等[30]以遼寧省主栽大豆品種沈農(nóng)12、95-1和遼豆14為研究對象，運用微機控制的電子拉壓試驗機進行豆莢的靜壓炸莢試驗，結果表明，當大豆籽粒含水率在25%以下、豆殼含水率15%以下，大豆發(fā)生炸莢，大豆炸莢與品種自身莢部的含水率關系很大，大豆頂部、中部和底部的豆莢與炸莢率無顯著差異。

綜上所述，誘導大豆發(fā)生炸莢的環(huán)境因素是空氣中的相對濕度?？焖僮兓沫h(huán)境因素是導致大豆籽粒與莢皮水分含量下降的關鍵因素，雖不能定量的描述豆莢發(fā)生炸莢的水分的臨界值，但當豆莢水分含量下降到炸莢臨界值時，易炸類型大豆發(fā)生炸莢現(xiàn)象。而溫度、光照強度、日照時數(shù)、風速、氣壓、土壤水分等一系列環(huán)境因素的變化都會影響到空氣的相對濕度，從而間接影響大豆炸莢。

4 大豆炸莢表型鑒定

炸莢表型的鑒定是抗炸莢理論基礎研究與品種選育的根本前提。國內(nèi)外學者在大豆抗炸莢表型鑒定指標與鑒定方法方面開展了大量相關研究，并取得了一定進展。

4.1 炸莢表型鑒定指標

4.1.1 炸莢率

炸莢率是大豆炸莢表型鑒定的主要判斷依據(jù)，炸莢率是已炸莢數(shù)×100%/總莢數(shù)[14]，炸莢率既可以對群體材料進行炸莢表型評價，也可以對單株材料進行炸莢表型鑒定。早在1979年亞洲蔬菜研究與發(fā)展中心(AVRDC)首先利用炸莢率將大豆炸莢表型進行分級，其中將炸莢率為0%定為1級(高抗炸莢)，炸莢率在0%~10%之間定為2級(抗炸莢)，炸莢率在11%~25%之間定為 3級(中抗炸莢)，炸莢率在26%~50%之間定為4級(中度炸莢)，炸莢率在50%以上定為5級(重度炸莢)[21]；2002年Tukamuhabwa等人根據(jù)炸莢率指標，并在AVRDC大豆炸莢分級方法的基礎上成功對參試材料進行了分級[31]；張躍進[3]和馬賽斐等[15]根據(jù)炸莢率指標，將田間大豆成熟10 d后的炸莢表型性狀分為6級，分別為：0級(不炸莢)、Ⅰ級(0%~1%)、Ⅱ級(1%~5%)、Ⅲ級(5%~ 10%)、Ⅳ級(10%~30%)和Ⅴ級(大于30%)；Zhang等[32]根據(jù)田間炸莢率將評價標準又進一步細分為8級，包括1級(炸莢率0%)、2級(0%~2%)、3級(2%~5%)、4 級 (5%~10%)、 5 級 (10%~15%)、 6 級(20%~30%)、7級(35%~50%)和8級(60%~100%)。無論是室內(nèi)鑒定還是田間評價大豆炸莢表型性狀，炸莢率都是首要檢測指標。

4.1.2 莢皮厚度

莢皮厚度是指莢皮內(nèi)層厚壁組織到外層厚壁組織的總厚度。Tiwari和Bhatia[8]研究發(fā)現(xiàn)，莢背部的包帽的厚度、長度及莢壁厚度與炸莢程度呈顯著負相關。莢皮厚度是大豆莢部最容易觀察的部位。因此，可以利用顯微鏡觀察大豆莢皮厚度，進而判斷大豆品種的炸莢情況。但需要注意的是，取樣時間和觀察部分應保持高度一致。

4.1.3 開裂區(qū)

Christiansen等[9]最早提出，在大豆背部和腹部的縫合線橫切面處存在開裂區(qū)；Summers等[10]提出抗炸莢能力很可能與莢皮結構或開裂區(qū)相關，而不是與莢的大小相關。大豆莢部開裂區(qū)概念的提出，為科研人員研究大豆炸莢性狀的結構特征指明了方向。董陽等[11]研究證實，栽培大豆豆莢腹縫線處的FCC細胞的次生細胞壁顯著大于野生大豆。因此，可以通過觀察大豆品種豆莢腹縫線處的FCC細胞情況，來精準判斷炸莢與否。

4.2 炸莢表型鑒定方法

4.2.1 田間調(diào)查法

科研人員在大豆炸莢研究的初始階段多數(shù)采用田間調(diào)查法，主要是調(diào)查試驗區(qū)內(nèi)大豆植株的炸莢率，依據(jù)總炸莢數(shù)或某個時期的炸莢數(shù)評定大豆炸莢程度。彭玉華等[14]利用田間調(diào)查法在河南正陽縣大豆試驗站，對黃淮流域的30個大豆品種(系)的炸莢表型進行了鑒定，發(fā)現(xiàn)田間炸莢的動態(tài)類型分為單峰型、單峰延遲型、雙峰型和雙峰提高型；張躍進[3]和馬賽斐等[15]利用田間調(diào)查法在河南黃泛區(qū)農(nóng)場農(nóng)科所對黃淮流域另外32個大豆品種進行32 d跟蹤調(diào)查，初步明確了田間大豆炸莢表型鑒定的最佳時期；Zhang等[32]在2007~2009年間，成功利用田間調(diào)查法對公共機構和私人種子公司的第四熟期組品種進行抗炸莢評價。盡管田間調(diào)查法具有方便、快捷、直觀等優(yōu)點，但受環(huán)境因素影響較多，導致結果的精確性較差，該方法僅能對炸莢表型差異較大的材料進行粗略分析。目前，在我國抗炸莢大豆品種選育及試驗中，田間調(diào)查法依然是抗炸莢鑒定的首選方法。

4.2.2 實驗室干燥法

干燥法是實驗室鑒定大豆炸莢表型的主要方法之一，分為玻璃干燥器法和烘箱干燥法。玻璃干燥器法是將豆莢置于玻璃容器內(nèi)，經(jīng)一定時間段的干燥后，因豆莢的水分含量下降而發(fā)生炸莢，以炸莢數(shù)量判定參試材料的炸莢性；烘箱干燥法是利用烘箱對豆莢進行烘干，設置烘箱的溫度與烘干時間，將參試材料根據(jù)炸莢情況分為敏感炸莢型和抗炸莢型。Tsuchiya等[27]利用烘箱干燥法進行研究，將豆莢分別放于溫度處理40℃、60℃、80℃，干燥持續(xù)時間5 h、7 h、24 h的烘箱，然后，測定炸莢率來評價參試材料炸莢性，但干燥法因取樣時期、烘箱溫度以及持續(xù)時間等因素的差異，有待進一步細化研究。Romkaew等[29]分別利用玻璃干燥器法和烘箱干燥法對日本和泰國品種進行炸莢表型檢測：玻璃干燥器法中持續(xù)天數(shù)分為3 d、5 d、7 d、14 d、21 d、28 d、35 d；他們在前人研究的基礎上，對烘箱干燥法的溫度和持續(xù)時間進行了優(yōu)化：烘箱溫度調(diào)整為60℃，持續(xù)時間為2 h、4 h、7 h，最終證明干燥器法與烘箱干燥法評價大豆炸莢的程度幾乎相同。該研究認為干燥器法干燥14 d與置于烘箱干燥法60℃持續(xù)烘干7 h的方法均有效，可用于炸莢表型檢測。Tukamuhabwa等[31]對烘箱干燥法進行了進一步的優(yōu)化，將取樣時期修正為95%豆莢已達到生理成熟(R8時期)，用紙袋(5 cm×10 cm×20 cm)摘取，將紙袋放置在溫度與水分含量恒定的室內(nèi)10 d，然后放入80℃烘箱，持續(xù)12 h，最后依據(jù)AVRDC大豆炸莢分級方法對上述樣品進行分級，以此來判斷參試材料的炸莢性?？紤]到參試材料的多樣性，取樣時間和取樣方法的差異，實驗室干燥法還具有很大的優(yōu)化空間，尚處于摸索階段。

4.2.3 隨機碰撞測驗法(Random impact test,RIT)

RIT法是將豆莢和鋼球放在塑料容器內(nèi)，借助搖床高速震蕩進行隨機碰撞，以測定炸莢半數(shù)所需的時間來判定相關品種的炸莢率[33]。該方法已在油菜抗裂角性研究中得到應用，目前大豆尚未應用。RIT法設備簡單，便于快速測定，但容器、小鋼球以及震蕩頻率的選擇，是該方法成功的關鍵。在大豆炸莢表型鑒定中應用該方法，重點是確定大豆豆莢的取樣時期與取樣方法，同時將容器的大小、鋼球的大小、震蕩頻率的大小、震蕩持續(xù)時間等關鍵因素進行多因素組合試驗，篩選出最佳組合條件來評價大豆的炸莢性。

上述3種鑒定大豆炸莢表型的方法均簡單易行，操作方便，但各種外界因素都會影響測定結果的精準性，還需要不斷改進來完善炸莢表型的鑒定方法。3種鑒定方法各有其優(yōu)缺點，田間調(diào)查法具有簡單直觀、易于操作的優(yōu)點，該方法的不足在于鑒定的環(huán)境條件很難保持一致，鑒定時易受大豆成熟后氣候條件的影響，即使在同一年份內(nèi)鑒定的材料，不同熟期的大豆種質所處的氣候條件也不同，鑒定結果也會存在差異。與田間調(diào)查法相比，干燥法和隨機碰撞法具有鑒定條件一致的優(yōu)點，但不同大豆種質成熟時豆莢的含水量不同，也會影響鑒定結果。由此可見，無論采用哪種方法都需要進行重復鑒定。因此，創(chuàng)新精準鑒定方法，綜合準確評價大豆炸莢性狀，是大豆炸莢研究亟待解決的問題。

5 抗炸莢種質鑒定與品種選育

5.1 抗炸莢種質鑒定

大豆抗炸莢資源篩選與鑒定是抗炸莢品種選育的基礎，科研人員利用不同鑒定方法鑒定出一大批抗性種質。其中，田間調(diào)查法鑒定的抗性種質較多，盡管調(diào)查標準略有不同，但抗性種質的炸莢率均在5%以下，共計39份[3,14,28,34,35]，Zhang等[32]利用田間調(diào)查法對密西西比州公共機構和種子公司的第四熟期組品種進行抗炸莢評價，3年鑒定出炸莢率不超過5%的材料分別為45份、17份、69份，具體品種名單公布在Mississippi大豆官方平臺；相比而言，利用干燥法鑒定出的高抗材料相對較少，只有26份[7,16,29,31,36~38]，而RIT法目前在大豆炸莢研究尚未實際應用。需要指出的是，在抗炸莢性遺傳研究中已經(jīng)應用的抗炸莢種質有20份，分別是Young、Hayahikari、Yukihomare、Toiku 238、Toiku 239、Harosoy、Nam 2、Roan、Duiker、TGx 1448-2E、GC 81090-48、Sinpaldalkong、Iksan 10、Tokei 992、Kariyutaka、Suzuotome、Tachiyutaka、Tsuyahomare、CM 3和晉豆23，詳見表1。

5.2 抗炸莢品種選育

國內(nèi)外學者對抗炸莢大豆品種育種方法研究較少，一般在抗炸莢育種中，通過后延選種日期，可以鑒定出對環(huán)境耐受能力較強且含有抗炸莢基因的材料。Agrawal等[39]利用5個大豆品種進行雜交，發(fā)現(xiàn)后代F1炸莢表型不具有超親優(yōu)勢，明確了抗炸莢育種中親本選配的重要性?？梢?，高抗炸莢品種選育的關鍵是雜交親本的選擇，包括親本的綜合農(nóng)藝性狀、親本抗炸莢情況以及雜交組合的數(shù)量，都會影響到育種目標。目前生產(chǎn)上的大豆品種多數(shù)抗炸莢，但抗炸程度差異很大。例如，黑河43號保留了親本黑河18號高產(chǎn)優(yōu)質抗病特性的同時，改良了黑河18號炸莢的不良特性，黑河18號的炸莢基因可能來源黑河野生豆3-A。抗炸莢品種黑河43號的選育成功，關鍵在于雜交組合中父本黑河23號的選擇，黑河23號與黑河18號有著相似的遺傳背景(圖3)，均聚合了俄羅斯、美國、日本以及國內(nèi)優(yōu)良骨干材料的遺傳基因，符合雜交親本優(yōu)×優(yōu)略帶缺點的配置原則。然而，需要指出的是，改良炸莢性狀本身固然重要，但單一改良炸莢，丟失其他優(yōu)良性狀，所選出的材料僅能作為中間材料而利用[40]。到目前為止，國內(nèi)已公開報道的抗炸莢品種較少，僅6個[40~44](表2)，這些抗炸莢品種為抗炸莢性狀的遺傳研究以及抗炸莢品種選育奠定了基礎。

表1 國內(nèi)外抗炸莢種質鑒定情況

6 大豆抗炸莢基因的定位、標記開發(fā)及克隆

6.1 大豆抗炸莢基因的定位與分子標記開發(fā)

圖3 黑河43號遺傳系譜

表2 國內(nèi)明確抗炸莢大豆品種選育

隨著生物技術的迅速發(fā)展，開發(fā)了RAPD(隨機擴增多態(tài)性)、RFLP(限制性內(nèi)切酶片段長度多態(tài)性)、AFLP(擴增片段長度多態(tài)性)、SSR(簡單重復序列)等大量分子標記應運而生，其中SSR標記、RFLP標記已在大豆炸莢QTL定位研究中廣泛應用[45]。1997年，Bailey等[28]以美國的栽培大豆品種Young與野生大豆PI416937為研究對象，運用RFLP標記技術構建了大豆的遺傳連鎖圖譜，首次鑒定出控制大豆炸莢的1個主效QTL，該QTL位于16號染色體，與分子標記B122-1連鎖；日本科學家對抗炸莢基因定位進行了系統(tǒng)研究，F(xiàn)unatsuki等[36]于2006年利用炸莢性狀差別較大的兩個栽培大豆構建的RIL(重組自交系)群體進行QTL分析，通過CIM法(復合區(qū)間區(qū)位作圖法)，驗證了位于16號染色體上的Sat_093和Sat_366兩個SSR標記間的1個主效QTL，并估算該QTL的遺傳距離為2.9 cM。隨后他們利用4個不同遺傳背景的大豆材料，再次證明了這個QTL具有重演性，將該主效QTL命名為qPDH1，可解釋表型變異率的50%，并發(fā)現(xiàn)在不同的遺傳背景下該位點具有復等位基因[22]；Suzuki等[34]進一步將qPDH1區(qū)間縮小到第16號染色體的134 kb區(qū)域，預測該區(qū)域包含10個基因，但這些基因在擬南芥中均未發(fā)現(xiàn)同源基因；2014年，F(xiàn)unatsuki等[12]的研究有了進一步的突破，圖位克隆了16號染色體已報道的QTL“qPDH1”附近的基因pdh1，并明確了該基因在干旱或半干旱地區(qū)對抗炸莢性狀的重要作用；Kang等[16]利用一個韓國本地炸莢敏感品種Keunolkong與兩個抗炸莢品種Sinpaldalkong和Iksan 10分別創(chuàng)制了兩個RIL群體進行QTL分析，利用Keunolkong× Sinpaldalkong創(chuàng)制的RIL群體定位了1個主效QTL和3個微效QTL，主效QTL位于第16號染色體SSR標記Satt 183和Satt 215之間，與qPDH1位置接近，而利用Keunolkong×Iksan 10創(chuàng)制的RIL群體定位了3個微效QTL，雖然鑒定利用的兩個群體有著同一親本，但定位的結果差別很大，推測是由于品種Iksan 10因輻射育種選育導致的背景變異有關。2013年Gao等[22]利用已報道的定位信息，重新創(chuàng)制Young與野生大豆PI416937的RIL群體，通過開發(fā)的12個SNP(單核苷酸多態(tài)性)，將qPDH1鎖定在SNP6與SNP10之間的 47 kb的區(qū)域內(nèi)，并預測出Gm16g25610和Gm16g25600兩個基因。國內(nèi)抗炸莢基因分子標記研究起步較晚，且僅有一例報道，國內(nèi)羅汝葉等[37]利用大豆RIL群體112個株系，采用CIM法，在C2連鎖群(即第6染色體)上檢測到一個控制豆莢開裂的QTL，命名為qPDH6-1，位于SSR標記 Satt 062和Satt 520之間，與抗炸莢基因的遺傳距離為3.1 cM，可解釋的表型變異率為49.44%。該基因與國外定位的基因不在同一染色體上，有可能是一個新的抗炸莢基因。大豆炸莢性狀的相關QTL信息詳見表3。

迄今為止，大豆炸莢遺傳和基因定位所用的親本有兩類：一是栽培大豆與野生大豆種間雜交；二是不同栽培大豆品種間雜交。由于定位親本不同，遺傳背景差異比較大，定位的QTL可解釋的遺傳效應差異也較大。

6.2 大豆炸莢關鍵基因的克隆及功能研究

目前大豆炸莢基因的克隆與功能研究報道尚少。2014年董陽等人以抗炸莢品種黑農(nóng)44與炸莢的野生大豆ZYD00755為研究對象，在16號染色體的116 kb區(qū)域內(nèi)，克隆一個抗炸莢的基因，命名為SHAT1-5。進一步利用實時定量PCR研究了該基因的表達情況，發(fā)現(xiàn)該基因在厚壁組織細胞(葉、幼根、花)的表達量很低，但在莖、果實這些含有次生細胞壁的組織中表達量很高，證實在黑農(nóng)44中該基因通過調(diào)控FCC細胞次生細胞壁的增厚增強，進而形成抗炸莢性[11]；近期，F(xiàn)unatsuki等[12]圖位克隆了抗炸莢基因pdh1，在低濕度條件下，該基因通過降低莢皮表面的扭曲力來降低大豆炸莢性，結合種質資源篩選工作，證實該基因廣泛分布在干旱或半干旱地區(qū)，該基因對全球大豆擴張起到重要作用。

綜上所述，不難發(fā)現(xiàn)，盡管二者都是調(diào)控大豆炸莢的關鍵因子，但其作用方式截然相反：SHAT1-5是調(diào)控大豆抗炸莢性狀的正調(diào)控因子，栽培大豆中高表達SHAT1-5基因可以顯著提高腹縫線FCC細胞中次生細胞壁的厚度進而增強豆莢的抗炸莢性，而Pdh1是調(diào)控大豆抗炸莢的負調(diào)控因子，Pdh1的功能喪失等位基因phd1可以通過降低莢皮的扭曲力來抑制大豆炸莢。大豆炸莢性狀的表現(xiàn)形式多種多樣，暗示大豆炸莢是一個受多基因調(diào)控的復雜過程，其中任一環(huán)節(jié)的變化都可以促進或抑制豆莢的炸裂。因此，未來需要挖掘更多的參與調(diào)控大豆炸莢的基因，最終描繪大豆炸莢/抗炸莢的分子網(wǎng)絡途徑，為現(xiàn)代大豆育種服務。

表3 大豆炸莢相關的QTL信息

7 結語與展望

大豆炸莢性狀的描述較多，炸莢、裂莢、豆莢開裂等詞在文獻中都有使用，作者認為“炸莢”一詞中“炸”字非常形象地描述了大豆炸莢的動態(tài)過程。大豆炸莢易受環(huán)境條件影響，且不同基因型大豆品種與環(huán)境因子互作強弱差異較大，因此，該性狀的研究難度很大。目前，大豆炸莢的表型鑒定存在一定的差異，不同的研究方法獲得的研究結果差異較大。如何獲得精準的表型鑒定數(shù)據(jù)，將環(huán)境因素對炸莢的影響降到最低是該領域今后研究的重點。應用精準的炸莢鑒定方法評價大豆種質很有必要，為基礎和應用研究提供材料保障。

目前，對抗炸莢主效基因pdh1研究的比較深入，如Suzuki等[11,12]觀察了pdh1豆莢的炸莢過程，該基因參與莢皮內(nèi)層厚壁組織木質素起始階段的沉積，而SHAT1-5基因參與FCC細胞中次生細胞壁的增厚，進而起到抑制炸莢作用，這說明抗炸莢性是比較復雜的性狀，任一環(huán)節(jié)的變化都可能抑制或促進大豆豆莢的炸裂。因此，在大豆抗炸莢的研究中，一方面可利用已克隆的大豆抗炸莢基因開發(fā)功能標記，分析其實用性，篩選優(yōu)異的等位變異，為分子標記選擇育種提供材料和方法；另一方面，抗炸莢性是多基因控制的數(shù)量性狀，應繼續(xù)挖掘新的抗炸莢基因和調(diào)控因子，明確基因的作用機理及調(diào)控網(wǎng)絡，為基因的有效利用提供理論支撐。最終應用現(xiàn)代生物技術手段，實現(xiàn)對大豆抗炸莢基因的定向監(jiān)測，縮短育種進程，加快抗炸莢性大豆新品種的培育與推廣。

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(責任編委:劉寶)

Occurrence characteristics and molecular genetic basis of pod shattering in soybean

Dezhi Han1,2,Yulong Ren2,Yong Guo2,Hongrui Yan1,Lei Zhang1,Wencheng Lu1, Lijuan Qiu2

1.Heihe Branch,Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences,Heihe 164300,China;
2.The National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Improment(NFCRI)/MOA Key Lab of Soybean Biology(Beijing), Institute of Crop Science,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081,China

Pod shattering is a natural property of wild soybean(Glycine soja)for propagation and also a major cause of yield loss in cultivated soybean(Glycine max L.Merr).Thus,studies on occurrence characteristics and molecular genetic basis of pod shattering in soybean can provide insights into both molecular mechanisms and potential application in legume crop improvement.In this review,we summarize the occurrence features and phenotypicidentification methodsofpod shattering based on analysisofthecellularmicrostructureof shattering-resistant soybean pod.We also introduced the identification and breeding of shattering-resistant germplasms,the progress of molecular genetic studies on shattering-resistant phenotype in soybean as well as perspectives on future studies of pod-shattering trait and application in crop improvement.

pod-shattering trait;cellular microstructure;pod-shattering identification;genetic basis;breeding for pod-shattering resistance

URL:http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20150421.1135.002.html

2014-09-03;

2015-01-28

國家自然科學基金項目(編號：31271753)和中國農(nóng)業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程項目和黑龍江省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程項目資助

韓德志，碩士研究生，專業(yè)方向：大豆基因資源發(fā)掘與利用。E-mail:handezhi2008@163.com

邱麗娟，博士，研究員，研究方向：大豆基因資源挖掘與利用。E-mail:qiulijuan@caas.cn

10.16288/j.yczz.14-456

時間:2015-4-21 11:35:55