分子标记在绿豆遗传连锁图谱构建和基因定位研究中的作用

权彪

摘 要：绿豆是一种医食两用的豆类作物，在改善土壤条件和提高农户收入方面有着重要的影响，但是当前国内外对于绿豆遗传学方面的研究还比较少，分子标记作为一种新型的生物技术研究手段，可以帮助研究绿豆基因组的结构和功能，能够用于基因定位研究，分子克隆方面等，在绿豆遗传学研究中遗传连锁图是重要的研究内容，也是微观层面不可缺少的技术平台。近年来，国内外实验室运用分子标记技术已经成功构建了20张以上的绿豆遗传连锁图谱，其中对绿豆基因组中的抗性基因及具有优良性状控制的基因进行精确定位，为绿豆的分子标记提供基础，有利于研究抗性菌株以及优良品种的培育。本文通过对分子标记在绿豆遗传连锁图谱构建，以及一些抗性基因、优良基因等具有重要功能的基因进行精确定位和功能研究，并分析了控制绿豆的农艺性状基因鉴定，为之后对绿豆全基因组学分析及优良品种培育提供参考。

关键词：分子标记；绿豆；遗传连锁；图谱构建；基因定位

绿豆属于豆科类，豇豆属，有22条染色体，其营养价值比较高，蛋白质含量最高可达30%以上，是一种高蛋白，低脂肪的食物，理论上来看是比小麦、水稻的蛋白质含量高的。另外，绿豆中还含有多种矿物质元素，维生素等微量元素，可以补充人体生命活动所需的能力，对降低血脂、血压、预防癌症等方面都有比较好的保健效果，尤其是其中还含有丰富的铁元素，一定程度上可以改善人体的贫血症。除对人体有直接作用外，绿豆根系中的根瘤菌具有固氮能力，可以改善土壤条件，提高经济作物的产量，绿豆的生育期比较短，能够适应各种生长条件，经济效益高也赢得了越来越多的社会关注。绿豆属于杂粮作物，从全球种植分布范围来看，在发展中国家种植的面积比较大，但是相比其他大宗作物，绿豆的功能基因组学研究却相对滞后，由于对绿豆部分基因功能研究不清楚，也制约了绿豆产业的发展，近年来，人们生活水平提高，注重饮食和膳食结构，不断调整农业种植结构，在科研方面也加大投入力度，绿豆的全基因组测序已经完成，分子标记可以反映绿豆个体或种群间基因组中某种差异的特异性DNA片段，可进行基因定位，运用分子标记技术对于绿豆基因组学研究起着重要的作用。

一、绿豆遗传连锁图谱的构建

分子标记遗传连锁图谱是染色体进行重组交换，并对其进行连锁分析，根据染色体上的标记进行位置排列，在基因组学研究中这种方法是比较常见的，也可用于分子克隆、特定基因定位、物种演化等研究。迄今为止，实验室中利用分子标记技术构建了20张以上的绿豆遗传连锁图谱，而且随着分子标记技术的成熟和发展，在构建图谱的过程中精确度越来越高，遗传图谱的作图群体包括回交群体，F2群体等。第一张绿豆遗传连锁图谱是生物学家利用两种不同品种的抗豆象和感豆象绿豆进行杂交获得F2群体，这张遗传连锁图谱中有170多个分子标记，平均分布在14个连锁群上，后来N.D.Yong等人以相同的品种杂交获得多个F2单株的群体，也构建出了一张长为1300cm左右的绿豆遗传图谱。这些遗传图谱被用于研究绿豆的基因功能，以及对特定优良性状控制的基因进行精确定位，为今后深入研究绿豆基因组打下基础。

二、绿豆优良基因的精确定位

绿豆在生长过程中由于常会受到病虫害的影响，尤其在储存使也容易被绿豆象等害虫侵蚀，这对于绿豆的质量和产量都受到了一定的不良影响，过去在绿豆防止方面主要采用的是化学方法，通过施加化肥、农药减少病虫的危害，但是化学药剂的使用对于环境污染、农业经济效益、人们的身体健康是极其严重的。为了能够避免二次污染，减少化学农药的使用，生物学家采用了生物防治的方法，培育优良的抗性转基因品种，目前这种方式也是最有效，最实用的措施，如何培育抗性品种和挑选抗性基因成为生物防治的主要问题。从遗传学的角度出发，绿豆很多性状比如：控制产量的，质量，抗性方面的表型几乎都是数量性状遗传，并不是受单个基因的直接控制，这给绿豆优良基因的精确定位的研究带来了一定的困难。随着科学技术的发展，分子标记技术和遗传连锁图谱越来越被广泛用于研究基因定位以及作物的遗传机理研究。

目前针对绿豆优良基因精确定位的研究比较典型的有绿豆抗豆象遗传，绿豆抗白粉病，绿豆黄花叶病毒，叶斑病等方面。在绿豆抗豆象遗传研究中，已经经过鉴定的品种共有3份，而且通过实验数据表明这种控制抗豆象性状的基因是由多对主效基因和微效多基因共同调控的，同时还受到母性遗传的影响，对已发现的两份抗豆象栽培株进行抗豆象基因连锁标记筛选时发现，其抗性基因不等位，利用测序技术发现在抗豆象基因候选区存在多个碱基突变的基因，目前这种基因定位已经取得了很大进展，利用连锁标记可以实现打断抗豆象基因和小子粒，以及低产量等不良性状的连锁，有利于抗豆象品种的育种。绿豆抗白粉病的基因是根据研究材料的不同，基因定位也会发生相应的变化，目前针对其抗性遗传机制研究和基因位点分析报道比较多，主要也是采用分子标记手段找到控制白粉病的主效位点，比如研究者用高抗病品种和感病品种进行杂交，并用RFLP标记构建绿豆的遗传连锁图谱，检测到造成86%的遗传变异的这种主效基因位点，但是不同的抗原间的遗传机理是有区别的，因此抗白粉病的基因是不等位的。

三、控制绿豆的农艺性状基因鉴定

在农业方面对绿豆的粒重和生育期进行研究，表明绿豆的颗粒大小是一种数量性状，也不是受单个基因调控的，C.A.Fatokun利用RFLP标记对控制绿豆子粒大小的相关基因进行检测，发现了4个影响基因区域，后来有研究者以大粒和小粒品种进行重组自交，并构建了分子标记连锁图谱，包含78个分子标记位点，但其检测到的位点与C.A.Fatokun没有基因重合区域，表明增加粒重的等位基因是来源于野生品种中的，绿豆野生株中本身含有很多优良的基因，可以充分挖掘这种优良基因用于后续的育种工作中。另外，有研究表明控制两个相关性比较强的性状其基因区域是会富集在一起的，可以用一因多效来解释这种现象。绿豆基因在表达过程中很容易受到外界环境和生育期的影响，QTL技术可以检测到控制某种数量性状的基因在基因组中的位置，但是这种检测需要对不同时间和地点进行大量检测，才能保证数据的准确性，而且不同的群体类型、作图方式等会使QTL的数量和定位也会产生差异，但是总的来看，QTL对于绿豆分子标记用于培育优良品种起着重要的作用。因此在后续工作过程中，需要注意构建绿豆遗传连锁图谱是要选择较大的次级作物作为作图群体，消除部分遗传背景下的干扰，提高作图的准确度；过去构建的遗传连锁图谱多采用第一代分子标记，今后需要使用数量多且稳定性强的新型分子标记，需要增加分子标记数目，确保连锁群数目和染色体数目的一致性。

四、小结

绿豆作为一种食药作物，在生长和储存过程中很容易受到病蟲、环境的不良影响，如何选育高质量、高产量的绿豆作物是育种工作的重点，为了实现农业绿色发展，当前主要采用生物防止的方式来代替化学农药，并且随着科学技术的发展，研究学者通过对一些控制优良性状的基因进行基因定位，目前针对绿豆优良基因精确定位的研究比较典型的有绿豆抗豆象遗传，绿豆抗白粉病，绿豆黄花叶病毒，叶斑病等方面，运用了分子标记的方式，构建绿豆遗传连锁图谱，一方面，可以帮助育种工作挑选优良基因，比如抗性基因和控制产量的基因，基因连锁标记可以辅助进行育种早代的选择，不断提高选择效率；另一方面可以有效打破不良基因与优良性状之间的连锁关系，主要运用分子克隆，构建转基因，实现在分子水平上的育种，培育高质量、高产量、抗性的新品种。随着绿豆全基因组测序的完成，很多已知的序列可以帮助开发各种新型的分子标记，有利于绿豆遗传连锁图谱的构建，以及待研究基因的精确定位，从一定程度上说，可以推动绿豆基因组学的发展进程。

参考文献：

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