大豆种子重量、蛋白质和油含量的全基因组关联研究：解锁关键遗传密码，助力大豆育种新突破

《Molecular Genetics and Genomics》：Soybean genome?wide association study of seed weight, protein, and oil content in the southeastern USA

为解决大豆产量、蛋白质和油含量难以协同提升的问题，研究人员开展了对美国东南部 V 组大豆种子重量、蛋白质和油含量的全基因组关联研究（GWAS）。研究发现多个显著相关的单核苷酸多态性（SNP）位点及关键区域，为大豆育种提供了理论基础和技术支持 。

　　在全球粮食生产的大舞台上，大豆无疑占据着举足轻重的地位。它不仅是人类优质蛋白质和食用油的重要来源，也是牲畜饲料的关键组成部分。然而，长期以来，大豆育种面临着一个棘手的难题：如何在不影响产量的前提下，同时提高种子的蛋白质和油含量。这两种重要性状之间存在着负相关关系，即蛋白质含量增加时，油含量往往会下降，这使得传统育种方法难以实现两者的同步提升。此外，种子重量作为产量的关键构成要素，在大豆驯化过程中发生了显著变化，但它同样受到复杂的遗传和环境因素影响。因此，深入探究大豆种子重量、蛋白质和油含量的分子机制，寻找能够打破这种遗传限制的方法，成为了大豆育种领域亟待攻克的重要课题。

为了解开这些谜团，来自美国奥本大学（Auburn University）和美国农业部农业研究服务局（USDA, Agricultural Research Service）的研究人员展开了一项具有重要意义的研究。他们的研究成果发表在《Molecular Genetics and Genomics》杂志上，为大豆育种带来了新的曙光。

研究人员采用了多种先进的技术方法来开展此项研究。首先，他们从美国农业部种质资源信息网络（GRIN）数据库中精心挑选了 285 份具有代表性的 V 组大豆种质，在不同环境条件下进行田间试验，详细测定种子重量、蛋白质和油含量等表型数据。接着，利用 Illumina Infinium SoySNP50K Bead Chip 对这些种质进行基因分型，获取大量单核苷酸多态性（SNP）数据 。之后，运用固定和随机模型循环概率统一（FarmCPU）模型，结合主成分分析（PCA）和亲缘关系矩阵，进行全基因组关联研究（GWAS），以寻找与目标性状相关的遗传变异。最后，基于连锁不平衡（LD）衰减距离，在峰值 SNP 的上下游区域筛选候选基因。

通过一系列严谨的研究，研究人员获得了丰富且有价值的结果。

1. 表型变异：在三个测试环境中，大豆种子的蛋白质含量在 39.8 - 52.6% 之间，油含量在 11.8 - 22.1% 之间，种子重量在 6.9 - 27.6g 之间，表现出显著的表型差异。而且，这些性状的广义遗传力较高，蛋白质含量、油含量和种子重量的h2值分别达到 0.90、0.92 和 0.86。
2. 群体结构和 LD 衰减：研究发现这 285 份种质可分为九个亚群，且 LD 衰减距离约为 245kb，与之前的大豆 GWAS 研究结果相符。
3. GWAS 分析：研究共鉴定出 66 个与三个性状显著相关的 SNP 和 49 个提示性 SNP。其中，与油含量相关的显著 SNP 在 2020、2021 和 2022 年分别鉴定出 5 个、12 个和 6 个；与蛋白质含量相关的显著 SNP 在这三年中分别为 8 个、9 个和 9 个；与种子重量相关的显著 SNP 在三年中分别为 8 个、6 个和 4 个。
4. 基因筛选：在与三个性状相关的峰值 SNP 的 250kb 侧翼区域，共发现 1107 个大豆基因，其中 135 个基因功能未知。在已知功能的基因中，分别有 330 个、358 个和 358 个基因与油含量、蛋白质含量和种子重量相关。基因本体（GO）富集分析显示这些基因参与了脂质结合、蛋白质磷酸化等多种重要代谢途径。

在研究结论和讨论部分，研究人员指出，他们成功识别出多个与大豆种子重量、蛋白质和油含量相关的关键基因组区域和候选基因。这些发现不仅加深了人们对大豆重要农艺性状遗传基础的理解，还为标记辅助选择提供了关键资源。例如，研究发现的一些基因组区域，如 11 号染色体上的 1.92Mb 区域，有望在不影响蛋白质含量的情况下提高油含量和种子重量。此外，研究还揭示了一些基因，如 nodulin MtN21、KCS、GmSWEET、MAPK 和 CYP 等，可能在种子发育、脂肪酸和蛋白质生物合成中发挥重要作用，为后续的功能验证和基因编辑研究奠定了基础。

总的来说，这项研究为大豆育种提供了重要的理论依据和实践指导，有助于培育出更优质、高产的大豆品种，满足全球日益增长的粮食需求。研究成果也为其他作物的遗传改良提供了有益的参考，推动了整个植物遗传学领域的发展。