大豆產量相關性狀QTL定位

韓英鵬，栗春霞，趙 雪，于寬偉，羅政輝

（東北農業大學大豆研究所，大豆生物學教育部重點實驗室，哈爾濱 150030）

大豆是我國主要經濟作物，具有重要經濟地位[1]。培育高產、優質大豆品種是育種界首要目標。大豆粒數、粒重、莢數、三粒莢、四粒莢作為大豆重要產量構成因子，是由多基因控制的數量性狀，易受環境影響[2]。研究表明，大豆產量與產量構成因子關系密切，產量與單株粒數、單株粒重、百粒重呈極顯著正相關[3]。隨分子標記技術、統計方法、遺傳圖譜構建不斷發展[4-5]，通過QTL定位更易篩選得到與目標性狀相關的分子標記，為發掘大豆目標性狀相關基因，培育大豆高產品種和研究高產育種理論提供依據。蘇輝以吉育47和遼豆16構建F6代重組自交系群體為材料，應用復合區間作圖法定位到一個位于D2連鎖群的大豆單株粒數位點[6]。李燦東等以Charleston和東農594為親本構建重組自交系對連續4年及三粒莢平均值性狀作共同定位，共檢測到17個QTL位點，分布于2、17、18及19號染色體，三粒莢數加性效應為-7.02～5.36，表型貢獻率為3.28%～12.75%[7]。徐琰等以大豆品種吉育73和鐵莢四粒黃為親本，定位到5個控制單株莢數QTL，分別位于2、4、5、7和10號染色體，遺傳貢獻率為8.8%～15.9%[8]。梁慧珍等以大豆晉豆23和半野生大豆灰布支黑豆為親本構建重組自交系定位，共檢測到7個莢數QTL，分布在1、7、8、12和14號染色體，表型貢獻率為1.80%～34.70%，單株粒重定位到10個QTL，分布在1、4、7、8、10、11、17號染色體，表型貢獻率為7.63%～26.70%[9]。

據報道，大豆Ln/ln等位基因（Glyma20g25000.1）是控制窄葉/圓葉關鍵基因，同時還一因多效調控大豆四粒莢數量[10]。GmCYP78A10a等位基因主要分布于野生大豆中，但在大豆育種早期已被淘汰，GmCYP78A10b等位基因成為栽培大豆優勢基因，通過克隆GmCYP78A10基因并驗證，結果表明攜帶GmCYP78A10b等位基因大豆莢數量明顯比攜帶GmCYP78A10a等位基因多[11]。研究表明PP2C-1（Glyma17g33690）等位基因，可提高大豆種子重量，PP2C被認為通過油菜素-甾體信號通路調節種子形態[12]。Zhao等研究表明，過度表達GmCYP78A72（Glyma.19G240800）基因明顯提高種子產量[13]。

本文以合豐25為母本，L-28為父本構建F2∶15代100個重組自交系作一年三點田間試驗，尋找控制大豆粒數、粒重、莢粒、三粒莢、四粒莢QTL，為大豆粒數、粒重、莢數、三粒莢、四粒莢精細定位、分子標記輔助育種及目標基因挖掘提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為合豐25（♀）與L-28（♂）衍生的F2∶15代100個重組自交系，合豐25豐產、早熟、抗倒伏、適應性廣，1988年先后在黑龍江省、吉林省和內蒙古自治區審定推廣[14]。

1.2 試驗方法

2019年分別將上述重組自交系群體種植于向陽（XY）、呼蘭（HL）、阿城（AC），試驗地行長3 m，行距0.6 m，株距0.05 m，隨機區組設計，3次重復，常規田間管理。在植株未成熟前選取5株長勢一致植株掛牌，待材料成熟后單株收獲，考種調查，取其平均值用于分析處理。粒數、粒重、莢數、三粒莢、四粒莢調查參考文獻[15]中調查標準。

1.3 數據統計分析與處理

利用Excel 2010、SPSS 25、R軟件統計分析向陽（XY）、呼蘭（HL）、阿城（AC）表型數據。

1.4 QTL分析

利用ICIMapping 4.0軟件ICIM（完備區間作圖法）分析粒數、粒重、莢數、三粒莢、四粒莢加性效應和加性x加性上位性效應，完備區間加性效應QTL定位LOD（似然比對數）閾值為2.5，粒數、粒重、莢數、三粒莢完備區間上位性效應QTL定位LOD（似然比對數）閾值為5.0，四粒莢LOD（似然比對數）閾值為9.0。

QTL命名方式為QTL+性狀+染色體+數字，其中QTL以小寫字母q開頭，性狀以英文縮寫表示，數字表示同一性狀在該連鎖群上檢測到的不同QTL個數。

2 結果與分析

2.1 親本表型統計分析

對大豆不同地點粒數、粒重、莢數、三粒莢、四粒莢親本性狀表型作T檢驗分析（見表1），可發現，除阿城、向陽粒重親本、阿城四粒莢親本及四粒莢平均值親本T檢驗不顯著，粒重平均值親本及向陽四粒莢親本T檢驗達顯著外，其他性狀不同地點平均值T檢驗均達極顯著，表明雙親親本差異較大，雙親在RIL群體中分離較好，為QTL定位奠定良好遺傳基礎。

表1 親本表型分析Table 1 Phenotype analysis of parents

2.2 遺傳連鎖圖構建

利用binmap作圖軟件，構建連鎖遺傳圖譜，結果顯示（見表2），連鎖遺傳圖譜總長度為6 307.03 cM，總標記數為5 221個，平均圖距為0.72～1.92，最小圖距為5.22 cM，最大圖距為40.73 cM。

表2 bin標記在連鎖遺傳圖譜中分布Table 2 Distribution of bin markers in the linkage genetic map

2.3 群體表型統計分析

對合豐25和L-28衍生的100個重組自交系作描述性統計分析（見表3）、相關性分析、頻率分布和擬合曲線分析（見圖1、2、3）。結果表明，除阿城三粒莢，呼蘭粒重、莢數峰度及四粒莢不同地點峰度、偏度絕對值大于1外，其他性狀峰度、偏度絕對值均小于1，且由頻率分布直方圖可看出，除四粒莢不同地點呈偏態分布，粒數、粒重、莢數、三粒莢表型均符合正態分布。粒數、粒重、莢數、三粒莢、四粒莢不同地點總變異分別為43%～51%、37%～54%、34%～35%、44%～50%、116%～139%。阿城粒數、粒重相關性最高為0.94；粒重、四粒莢相關性最低為0.19；呼蘭粒重、粒數相關性最高為0.86；粒重與四莢數相關性最低為0.098；向陽莢數、三粒莢相關性最高為0.76；粒重、四粒莢相關性最低為0.29。

2.4 粒數、粒重、莢數、三粒莢、四粒莢完備區間作圖法QTL定位

利用ICIMapping 4.0軟件對3個地點粒數、粒重、莢數、三粒莢、四粒莢作完備區間作圖法QTL定位（見表4）。結果顯示，共定位到27個大豆粒數、粒重、莢數、三粒莢、四粒莢QTL。粒數、粒重、莢數性狀僅在向陽和阿城2個環境中定位到QTL，三粒莢、四粒莢在3個環境中均定位到QTL。

表3 群體基本表型分析Table 3 Basic phenotype analysis of RIL population

圖1 阿城粒數、粒重、莢數、三粒莢、四粒莢相關性、頻率分布、擬合性曲線Fig.1 Correlation,frequency distribution,and fit curve of seed number,seed weight,pod number,three seeded-pod,four seeded-pod in AC

粒數、粒重、莢數各定位到3個QTL，三粒莢定位到5個QTL，四粒莢定位到13個QTL，LOD值為2.5～10.81，貢獻率為3.97%～19.17%，加性效應為-13.28～8.91，其中有11個QTL加性效應為正值，16個QTL加性效應為負值，正值表明增加此性狀增效基因來源于母本合豐25，負值表明增加此性狀增效基因來源于父本L-28。此外還檢測到兩個一因多效位點，即一個QTL位點對多個性狀產生調控，位點為Block1133～Block1224、Block3945～Block3944，這兩位點同時參與調控粒數和粒重性狀。

2.5 粒數、粒重、莢數、三粒莢、四粒莢完備區間上位性QTL定位

利用ICIMapping 4.0軟件對粒數、粒重、莢數、三粒莢、四粒莢加性×加性上位性QTL定位（見表5）。結果顯示，定位到36對與大豆粒數、粒重、莢數、三粒莢、四粒莢加性×加性上位性互作QTLs，其中粒數3對、粒重3對、莢數6對、三粒莢8對和四粒莢16對，LOD為5.01～11.33，表型貢獻率為0.71%～33.10%，超過20%表型貢獻率有3對，分別為向陽定位到粒數位點，呼蘭和向陽定位到三粒莢位點。定位到36對互作QTL位點，其中有30對QTL效應值為負值，表明重組性上位性效應大于親本性上位性效應，其他6對QTL效應值為正值，表明親本性上位性效應大于重組性上位性效應。

圖2 呼蘭粒數、粒重、莢數、三粒莢、四粒莢相關性、頻率分布、擬合性曲線Fig.2 Correlation,frequency distribution,and fit curve of seed number,seed weight,pod number,three seeded-pod,four seeded-pod in HL

圖3 向陽粒數、粒重、莢數、三粒莢、四粒莢相關性、頻率分布、擬合性曲線Fig.3 Correlation,frequency distribution,and fit curve of seed number,seed weight,pod number,three seeded-pod,four seeded-pod in XY

位定L QT莢粒四、莢粒三、數莢、重粒、數粒法圖作間區備完4表應effect效Additive性.19.87.39.57.40.65.72.69.39.01.45.24.71.14 8.91 3.83 4.41 4.29 2.01 3.65 6.37 1.22 2.61 1.37 4.96加-13.28-12.31-2-2-3-2-3-0-0-0-1-5-4-4-1-2 g in pp ma ）（%al E 率獻PV 7.17 16.00 10.84 terv 14.25 7.90 13.18 14.02 8.43 10.65 10.56 17.32 17.49 12.00 5.38 4.11 5.11 13.19 10.99 4.54 19.17 12.18 11.74 14.76 5.88 3.97 18.51 10.43 osite in 貢D 2.78 LO 3.87 2.53.81 mp 3.81 2.54 3.12 4.00 2.53 2.80 3.24 5.05 4.12 2.93 3.04 2.85 3.50 7.23 4.01 3.09 3.13 2.92 2.74 3.67 2.50 2.87 6.01 10 clusive co 9 655 64 5162425 6964299 51959 63166 255 51624419 89 1 10 815 30600619-30696590 38776254-38872 terval 68 229751525081953 40307849-40443 9125 3232 37353185-37544區間in 37076984-37313 53427 39655 44295 24236 e in -1-148 9-59618336理55 3-43202259-43337 2-th 47362039-47530 9-55 Physical 6-物37761928-43348 138934033921 by 1315 181845 38672770-39020 23185364 59774869-94042 60 30600619-30696 od 8134 43262583-43443 19251469-39408 11751445-25425 35754894-35931 26458089-30044 14407098-35635 35489054-35646 44657871-44866 35754894-35931-p ed seed 間interval-72.57.5 317.5-70.5.5 315.5 6.5 108.5 ur -70.5信ence 區-20.5 136.5-14.5-32.5-51.5 0.5346.5 122.5 293.5 466.5 122.5 155.5 168.5-88.5 155.5 158.5 239.5 16155.5 d fo 置.5 Confid .5.5.5.5.5.5-5.50-.5-9.5 60696918102847788.5-5493 an 297.5-297.5-104.5-133.5-344.5-120.5-291.5-457.5-119.5-151.5-164.5-148.5-155.5-237.5-151.5-od-p（cM）ed 6430670304 1067019136123156490345 121 292 46294121 154 16782151 157 23812154置Position seed er,three 位er 4標t mark 454857894047865095846029記342294222194108030092800549000133487821122388711312111 mb Block1 Block1 Block3 Block1右Block2 Righ Block3 nu Block4 Block6 Block1 Block3 Block4 Block1 Block4 Block2 Block1 Block1 Block1 Block1 Block3 Block5 Block4 Block4 Block4 Block5 Block2 Block3 Block5 od er,seed weight,p er標mark 記343 133 944 133 217 944 106 807 308 093 279 543 006 137 273 796 819 118 192 387 786 115 309 210 118左Left Block1 Block1 Block3 Block1 Block2 Block3 Block1 Block3 Block4 Block1 Block4 Block399 Block2 Block655 Block1 Block1 Block1 Block1 Block3 Block5 Block4 Block4 Block4 Block5 Block2 Block3 Block5 mb group)nu ）群inkage鎖seed 連(L)))2))2))))))(I)2)))(I)))(I)g of （體6(C2 6(C2 16(J)6(C2 9(K)16(J)5(A)16(J)17(D 5(A1 17(D 2(D1b)10(O 3(N)5(A1 6(C2 6(C2 8(A2 16(J)2017(D 18(G 19(L 2010(O 13(F 20色in 染Chromosome L mapp 11111112113 QT 1111 L 6-QT -1-1-16-7-W6W9N5 Table 4N1N1TSP5-1 TSP17-TSP2-1 TSP10-TSP3-1 FSP5-1 FSP6-1 FSP6-2 FSP8-1 FSP16-FSP20-FSP17-FSP18-FSP19-FSP20-FSP10-FSP13-FSP20-qSN6-1 qSN6-2 qSN1 qS qS qSW16-qP qP qP qN qN qN qN qN qN qN qN qN qN qN qN qN qN qN qN qN qN點SiteXYXYACXYXYACXYXYACXYXYACACHLXYXYXYXYXYXYACACACACHLHLHL地狀Trait性莢SP 莢SP粒數SN 粒重SW 莢數PN 粒 粒三NT四NF

位定L QT莢粒四、莢粒三、數莢、重粒、數粒法圖作性位上性位間區備完5表3349作互add-16.96-17.27-10.8233 4.89 4.7 3.79應42性Add by 1-9.6-11.646585 g .8效.9.0.8.5.5.8.3.6 in -3-3-3-6-7-3-3-33.97-5 mapp 加al terv 2應性Add 2-2.52 osite in 效-1.79-3.55-1.55-0.04-2.53-4.41 7.25 6.04 8.27-2.63 0.97 1.83 0.09-0.07-0.79 0.53 2.76加mp e co clusiv 1應性Add 1 1.76 2.62 1.72效2.83 0.61 1.91 e in 9.07-3.52-5.4-9.07-1.02-0.9-0.17-0.83 0.49-1.54 2.63-2.09加th by ）od （%E 16.21-p .1 18.51獻PV 率.3 33 ed 19 18.02 19.47 1110.93 7.03 11.74 14.13 15.05 13.88 13.53 13.85 13.71 14.88 28.35 seed 貢ur d fo D LO 5.17 5.11 5.05 5.71 an 5.51 5.07 5.49 5.35 5.24 5.78 5.01 5.01 5.78 5.36 6.23 5.17 5.41 5.94 od-p 2標Right2記ed marker Block 1048 Block 3941 Block 3728 seed 90 35右Block 1118 Block 1043 Block 2295 Block6 Block 2168 Block 3210 Block 3445 Block 2020 Block 4026 Block 1984 Block 2188 Block 2020 Block 5097 Block5 Block er,three 22記標Lefter Block mark 1049 Block 3942 Block 3729 Block 1121 Block 1046 Block 2296 mb 909 356左Block Block 2185 Block 3212 Block 3448 Block 2021 Block 4027 Block 1985 Block 2191 Block 2021 Block 5098 Block Block 3350 nu od 2 ht,p romosome 2 51615551049131591789920214體er,seed weig 色染Ch 1標Right1 mb 記Block3 marker 51Block 3210 Block4 38Block4 nu 36Block8 48Block 2267 Block5 65Block2 90Block6 90Block 3455 Block6 991498 77 Block9 53 Block 19 1376右Block3 Block Block 1237 Block8 Block 2108 seed g of 11標Lefter 記in Block 515 Block Block 385 Block L mapp Block mark Block 3212 365 439 690 903 909 997 784 534 199左2256 Block Block Block Block 3456 Block Block 1500 Block Block 1377 Block Block 1285 Block Block 2227 istasis QT 1 Chromosome 1體31322393441557463619色染Ep Table 5狀Trait 數SN 粒莢SP性粒數PN 重SW 莢 粒三NT點Site ACACXYACACXYHLHLHLHLXYXYACACACACHLHL地

ef-作互add性Add by 應6012518309967214效2.67 2.75.8-4.5.9.3-3.6-6-5.6.2-3.1-3-4.7.8-6.3-2-2.8.0-3.7-2-3.5.8-2-3-2加Estimated additive d-2 Ad應性Add 2效0.9 0.28 d by 3.47-3.44 3.13-2.01 2.74-3.33-1.78 2.22-5.01-4.01-2.92-4.00-2.66 2.32 2.65 2.70加L；Ad QT 1。性Add 1應0.18-0.28應效-2.85 2.70-3.03 1.73-3.20 2.84 2.26-2.47 1.97 2.81 2.50 2.81 2.48-2.41-2.55-2.91效the second作of加互性加effect）點（%位ditive E 率獻PV .8 22.32 19 Lad 0.82 0.73 0.91 0.83 0.74 0.73 0.83 0.89 0.96 1.21 0.71 1.20 0.74 0.75 0.78 0.72 QT個ated貢兩d-stim 444301Ad-E LO D 5.9 5.21.2 11.6.5 1010.3 9.55 9.50.9 9.28 9.23.6 9.18 9.15 by 1110109.46 9.21 9.18 9.16 dd Add2 L；2；A記值標Right2 Block marker 2490 Block 應e first QT 2895 77右Block 3837 Block 3158 Block9 Block 2842 Block 1793 Block 2686 Block 2230 Block 2703 Block 4786 Block 5118 Block 4846 Block 5118 Block 1224 Block 3210 Block 3512 Block 2713效th加性of表L續2 effect標Lefter 2 QT記mark Block 2491 Block 2899個784二ditive左Block 3846 Block 3159 Block Block 2849 Block 1799 Block 2656 Block 2000 Block 2667 Block 4874 Block 5119 Block 4849 Block 5119 Block 1133 Block 3212 Block 3508 Block 2712第ad ated dd2-2 2 stim；A romosome體值-E色10121613412811911192019206131511應d1染效Ad Ch 性加QT L L effects；1標Right1個記marker Block2 79Block 2698一7816第右Block 2896 Block 1793 Block5 Block 2667 Block 1224 Block 1793 Block 2000 Block 2667 Block 3837 Block 3210 Block 4813 Block 2256 Block1 Block 1465 Block 1800 Block 1224 1-ddep istasis QT 1；A標Lefter 1記793率mark Block 786 Block 2685 162獻左Block 2897 Block 1799 Block Block 2666 Block 1133 Block 1799 Block 2001 Block 2666 Block 3846 Block 3212 Block 4822 Block 2089 Block Block 1466 Block 1745 Block 1133貢型e explained by表1作1互Phenotyp 4111284116891116131991786體TL Chromosome色-QE-L.染VEPV e；；P o QT tw valu值at狀Trait 莢SP 莢SP ODOD性 三NT 粒effect四NF 粒-L-L ODOD：L點SiteXYXYACACACACACACACACACHLHLHLHLHLHLHL 注Note:L additive地by fect

3 討論與結論

大豆數量性狀QTL定位研究較多，RIL作為永久性分離群體常作為QTL定位群體[16]。本研究利用合豐25與L-28衍生F2∶15代RIL遺傳群體作QTL定位，增加QTL定位可信度。此外本文通過高通量測序技術開發bin標記，開發出6 307.03 cM遺傳圖譜，包含5 221個標記，平均圖距為1.21 cM，此圖譜遺傳標記多，標記間平均距離小，有利于更精確QTL定位，為今后分子輔助育種，目標基因開發奠定良好基礎。Fulton等認為，在多種環境中檢測到一致QTL可能比僅在一種環境下檢測到表型貢獻高的QTL可信度高，這樣在不同環境條件下定位到的QTL可能更具穩定性[17]。本文利用2019年向陽、呼蘭、阿城3個地點粒數、粒重、莢數、三粒莢、四粒莢基因型數據和表型數據作QTL定位，有利于獲得在不同環境條件下穩定QTL。其中向陽定位到四粒莢位點與呼蘭定位到四粒莢位點相同，為較可靠QTL位點，且與之前定位到的葉形基因同時一因多效控制四粒莢基因（Glyma20g25000.1）位置相差1.06 M[10]，為今后進一步挖掘四粒莢基因及功能驗證奠定良好基礎。為進一步驗證定位QTL真實性，比較本研究中定位QTL基因組區域與研究結果發現，向陽定位到qSN6-1位點與Mansur等以Noir1為母本，Minsoy為父本構建重組自交系在Sat_238～BARC-031099-06997區間定位到粒數QTL重合[18]，向陽定位到qSW6-1位點與Yao等在Sat_246～Satt640區間定位到的粒重QTL重合[19]。向陽定位到qSW9-1位點與Dias等在BARC-8～Sat_352區間定位到粒重QTL重合[20]，該重合位點為大豆粒數、粒重、莢數、三粒莢、四粒莢精細定位及目標基因挖掘奠定基礎，其他定位到的QTL位點與SoyBase數據庫（https://soybase.org/）報道QTL位點不同，可能是新位點。另外本研究還發現定位在Block1133～Block1224和Block3945～Block3944區間QTL同時調控粒數和粒重性狀，調控多個大豆數量性狀位點分布在同一個基因組區域內，即一個基因組區域同時控制多個大豆數量性狀[21]。據報道在6號染色體上Sat_142～BARC-023517-05442基因組區間內同時定位到控制節數、莢數、粒重等性狀QTL[22-23]。深入研究QTL分布密集基因組區域，有利于揭示相互協調表達機制，為分子育種奠定良好基礎。為進一步應用已定位到的較好QTL位點并挖掘驗證大豆產量相關性狀功能基因，后期將分析QTL候選區域內關聯性，并利用生物信息學方法篩選與大豆產量相關候選基因，有效驗證其功能，鑒定得到優異單倍型，為大豆高產分子育種提供有效依據。