“大豆种质资源遗传多样性与基因组进化特点”研究

获2016年中国农业科学院杰出科技创新奖

文章来源:中国农业科学院作物科学研究作者: 点击数:发布时间:2017-01-05【字体:   
 在大豆种质资源专家邱丽娟研究员的带领下,在国家 “973”等课题持续资助下,中国农业科学院作物科学研究所“作物分子标记技术及其应用”科技创新团队开展了“大豆种质资源遗传多样性与基因组进化特点”研究,并获得2016年度中国农科院基础研究类杰出科技创新奖。这项研究充分发挥我国大豆资源优势,建立了基于核心种质的基因发掘与种质创新技术体系,构建了规模小、多样性丰富、代表性强为特点的系列大豆核心种质,在国际上率先构建了野生大豆泛基因组,并在基因水平上解析了大豆遗传信息,为促进大豆育种提供了材料、方法和理论依据。

团队照片
  大豆是重要的油料和高蛋白粮饲兼用作物,原产中国,种植历史悠久。在长期的种植过程中,经过自然选择和人工选择,形成了丰富多彩、类型各异的大豆种质资源,目前我国的大豆种质资源数量达到32000余份,居全世界第一。这是大豆育种及其它相关学科开展科学研究的物质基础,其中对野生大豆优异基因的开发和利用可以大幅度提高大豆产量,改良大豆品质,提高大豆对病虫害的抗性及对不良环境与气候变化的适应性。然而,近年来,我国乃至世界大豆育种难以取得突破性的进展、单产停滞不前,主要原因是目前大豆品种的遗传基础狭窄,匮乏的基因源成为制约大豆育种研究的关键。
  国内丰富遗传资源与育种中基因源匮乏的矛盾,让团队研究人员意识到开展对大豆基因资源的解析刻不容缓。从上世纪90年代起,邱丽娟已经开始带领科研团队系统开展基于核心种质构建策略的大豆种质资源遗传多样性与基因组进化特点研究。资源研究是个长期且基础性的工作,邱丽娟研究团队经过15年的潜心钻研,在大豆种质资源、基因组研究和新品种培育方面,形成了一系列研究成果。

总体研究策略
从种质资源着手,构建大豆核心种质体系
  我国保存的3.2万余份栽培和野生大豆种质资源为相关研究奠定了坚实的物质基础。然而,如何从庞大资源中选择代表性样本,阐明大豆遗传多样性规律和基因组进化特点,不但是资源深度评价和有效利用的关键,也是大豆功能基因组研究的热点。
  Fankel和Brown于1984年提出的核心种质(core collection)概念,为如何开展种质资源群体研究和提高利用效率提供了切入点。核心种质是种质资源的一个核心子集,以最少数量的遗传资源最大限度地保存整个资源群体的遗传多样性,同时代表了整个群体的地理分布。
  研究人员利用“取样-分析检验-补充-再检验”构建系列核心种质的理论与技术体系,构建了中国栽培大豆初选核心、核心和微核心种质,比其他国家早构建大豆核心种质7-10年。初选核心种质是在代表最大遗传多样性的样本基础上,增加不同生态区具有极端农艺性状种质及抗病、抗逆等特性种质,共2,794 份,占栽培大豆总体资源11.8%、涵盖了全部的表型多样性。核心种质由来自初选核心种质的1055份资源构成,占总体4.7%。可代表94.6%的农艺性状表型变异和91.0%的分子多样性。微核心种质是进一步浓缩了核心种质的遗传多样性,将样本数量降到占总体的1%,由236份大豆资源的微核心种质对初选核心种质的分子代表性为70%以上,而对模拟总体的代表性仍能达到63.5%。

核心种质构建策略

阐明大豆种质资源的群体结构
以基因研究为突破,填补国际空白
  众所周知,栽培大豆是由野生大豆经过几千年的人工选择进化而来。驯化后的栽培大豆植株变矮、籽粒变大,更加适合集约化种植,但是与野生型相比,对新的病虫等生物逆境和盐碱、气候变化等非生物逆境的抵抗性减弱,野生大豆蕴藏着丰富的优异基因,这些优异基因的开发和利用对拓宽现代大豆品种的遗传基础,提高对病虫害和各种逆境的抗性具有重要意义。如何快速、批量地鉴定这些控制重要农艺性状的优异基因或等位变异是目前有效利用野生大豆的关键问题。
  近年来,随着测序技术的发展,资源研究进入到基因组研究时代。2010年国际上公布了栽培大豆参考基因组,但野生大豆因为基因组更加复杂,一直未公布,严重影响了野生大豆的研究和利用。研究人员围绕驯化前后大豆表型和基因组的变化开展研究。通过技术创新,对国内外7份有代表性的野生大豆进行从头测序和独立组装,构建出首个野生大豆泛基因组,在全基因组水平上阐明了大豆种内/种间结构变异的特点。发掘出野生大豆特有的优异基因,发现野生大豆中生物逆境抗性相关的抗病基因类型远多于栽培大豆,同时栽培大豆驯化过程中一系列重要性状如开花、脂肪合成及产量等相关基因候选基因也发生了变化。

构建野生大豆泛基因组以全面解析种间差异
  不但为大豆优异基因资源的系统发掘和优质、高抗、广适大豆新品种选育提供了重要信息,也为作物野生种质资源保护、基因发掘和育种利用研究提出了新的方法。相关研究成果于2014年9月14日在线发表在国际权威期刊《Nature Biotechnology》,是我国大豆领域首次在此类期刊刊登论文。
以育种应用为落点,解决实际问题
  大豆种质资源中蕴藏着丰富多样的基因,是大豆育种家和遗传学家迫切需要的拓宽育成品种遗传基础、培育突破性品种的宝贵资源。对大豆在种质资源和基因水平上的创新和解析,正是为了更好的将优异基因应用于育种应用中,解决实际生产问题。
  据介绍,本研究围绕大豆育种和生产的重大问题,针对大粒、抗大豆胞囊线虫病、耐盐、高油、高蛋白等9个重要农艺性状分别构建了应用核心种质。育种家可以利用基于核心种质的基因发掘与种质创新技术体系,协作培育出所需性状的大豆新品种。本研究构建的系列大豆核心种质得到国内外大豆遗传育种家认可,从中筛选出优异资源268份次,为常规育种提供亲本,解决常规育种中长期存在的亲本遗传基础狭窄的问题,为发掘大豆重要性状相关基因/标记等遗传研究提供了优良资源。

克隆大豆耐盐基因 GmSALT3
  同时,根据大豆育种需求,本研究利用核心种质、针对育种和品种分类的目标性状分别构建分离和自然群体,发掘高产、抗病、品质等重要性状标记、QTL、基因111个。在此基础上,开发多种类型的分子标记技术并对种质资源进行鉴定,为大豆种质资源由表型鉴定向基因型鉴定创造了条件。
  本项研究充分发挥了我国大豆资源优势,从资源着手,以基因研究为突破,落脚于育种和应用,促进了大豆种质资源在基因组、功能基因组和新品种培育等领域的广泛研究与应用。