大豆种子大小遗传研究进展

余希文 王亚琪 赵志鑫 傅蒙蒙 李曙光 杨加银 徐海风

摘    要：种子大小是大豆产量构成因素之一，同时对大豆商品性有重要影响。文章按照研究方法对近年来大豆种子大小遗传研究进行了归纳总结，简单概述了植物种子大小调控网络，通过对比大豆和其他植物中种子大小相关研究的差异，探讨大豆种子大小遗传研究和育种中存在的不足及可行的解决办法，并展望了后续研究。

关键词：大豆；种子大小；遗传研究；基因

文章编号：1005-2690（2023）14-0007-05       中国图书分类号：S565.1       文献标志码：A

种子大小是作物驯化的一个主要农艺性状，也是产量构成因素之一。种子大小形成机制的研究是种子生物学的一大热点，其遗传调控网络研究主要在拟南芥和水稻中进展显著[1]。种子大小影响大豆种子产量，还影响大豆的商品性。在消费市场，大粒大豆更受消費者的欢迎。文章概述了种子大小在不同物种中的研究现状，按照研究方法分类详解了大豆种子大小相关研究，通过对比其他植物中的研究进展，总结其存在的不足，并探讨了可行的解决方法，以期为大豆种子大小相关研究提供思路。

1 植物种子大小调控路径

植物种子大小受多种因素调控，现有研究表明，泛素蛋白酶体途径、G蛋白途径、丝裂原活化蛋白激酶途径、植物激素以及多种转录因子都参与了植物种子大小的调控[2]。

泛素蛋白酶体途径是指蛋白质通过与E1泛素受体和E2泛素结合酶连接，然后与E3泛素连接酶结合而泛素化，最终泛素化的蛋白质会被26S蛋白酶体降解为短肽或者氨基酸的过程。该途径中多个基因参与了种子大小的调控，如DA1、DA2、EOD1等，拟南芥中相关研究揭示了这一过程。泛素受体DA1负调控拟南芥种子大小，DA2和DA1相互作用，增强其与底物结合的特异性，继而选择性降解下游底物，共同调节种皮细胞增殖的过程，限制种子的生长。EOD1（DA1增强因子）也能与DA1互作而增强其表达，负调控种子生长。这一途径受亲代基因型控制，具有母体效应[3-4]。

G蛋白参与多种生命活动过程，G蛋白由3个亚基Gα、Gβ、Gγ组成，非活性状态为3个亚基聚合而成的三聚体结构，感受到上游信号之后，G蛋白会与受体GPCR相互作用而被磷酸化，磷酸化的α亚基会与βγ二聚体分离，使得两者都被活化，从而将上游信号传递下去[5]。水稻Gα突变体对赤霉素的敏感性降低，植株矮小，种子变短变小，表现为小而圆的种子。Gβ和Gγ正向调控种皮细胞增殖从而促进种子生长[6-7]。

植物激素途径是一种重要的种子大小调控方式。参与调控植物种子大小的主要植物激素是生长素、油菜素内酯、细胞分裂素和赤霉素。生长素调控种子大小主要通过ARFs（生长素响应因子）实现，拟南芥ARF2突变体种子变小，进一步研究表明，ARF2主要通过限制珠被细胞增殖来影响种子大小[8-9]。甘蓝型油菜中相关研究发现，BnARF18可以正向调节角果长度和种子大小。BR（油菜素内酯）通过调控胚和胚乳的生长发育来调控种子大小。CKX2（细胞分裂素氧化酶）发生突变的拟南芥株系表现为种子增大，表明CKX2负调控种子大小。赤霉素可以降解下游DELLA蛋白，从而正调控种子大小。

MPK（丝裂原活化蛋白激酶）蛋白家族参与植物多种生命活动，如抗虫、抗病、抗逆等。此外，MPK通过一系列磷酸化过程，也能正调控种子发育[10-11]。

此外，多种转录因子，如GRF4、KLU等，也通过调控种子种皮细胞增殖和胚乳的生长等过程来调控植物种子大小[12-14]。

2 大豆种子大小遗传研究

大豆种子大小差异很大，小的大豆品种百粒重不到10 g，大的大豆品种百粒重可达40～50 g，野生豆百粒重一般在3 g左右[15]。大豆种子是双子叶无胚乳种子，由种皮和胚构成。种皮约占种子重量的8％，一般差异不大[16]，种皮限制了种子内容物的生长，因此种皮对于种子大小有重要的影响。种皮的生长主要受母体基因型调控，在植物中已发现多个基因参与种皮细胞的增殖和增大[17]。胚由胚芽、胚根、胚轴和子叶4个部分构成，其中大豆子叶占据了种子重量的90％以上，其他3个部分占种子重量的2％左右。子叶细胞的增殖和增大也显著影响种子大小，子叶的生长受子代基因型调控，因此，种子大小也受子代基因型的调控[18]。大豆种子的发育从R1开始，直到R8结束，但是不同时期大豆种子干重增加速度不同。大豆粒重增加速度总体上呈先增快后减慢的趋势，R5和R6粒重增加最为显著，这一时期粒重增加占成熟大豆粒重的80％左右。因此，研究大豆粒重的调控因素，应重点关注这一时期特异表达的基因[19]。

2.1 大豆种子大小QTL定位

www.soybase.org现已报道的大豆种子大小QTL有304个，分布于大豆的20条染色体上[20]。Yan L等（2014）[21]利用冀豆12×ZYD2738构建的F2群体和冀豆9号×ZYD2738构建的F2：3群体，共检测到7个与百粒重相关的QTL；其中qSWT13-1位于13号染色体上，与Satt114连锁，连续2代在2个群体中表现出超显性效应，是提高杂交大豆百粒重的潜在有用基因。郭洁等（2017）[22]利用东农46和L-100构建RIL群体，共检测到5个百粒重QTL，遗传贡献率为2.30％～7.59％。Yang Zhe（2013）等[23]利用美国高产大豆品种Charleston和东农594杂交，获得147个重组自交系，检测到11个百粒重相关QTL。Kato Shin等（2014）[24]利用粒重相差2倍的日本大豆和美国大豆为亲本构建重组自交系群体，共检测到15个粒重QTL，其中在多个生长环境中都检测到的qSW17-1位于17号染色体上，可以解释粒重表型变异的9.4％～20.9％。Li J（2019）等[25]利用3个不同生态区SNPs全基因组关联分析，找到21个粒重相关QTL，可以解释8.12％～14.25％的表型变异，其中位于9号染色体上的SW9-1可以解释表型变异的10.05％～10.93％，且在栽培大豆中的占比远高于野生大豆，表明这个QTL在大豆育种过程中受到选择。这些研究表明，关于大豆百粒重这一性状，已定位到较多相关QTL，但在不同的品种和不同的生态区，定位到的QTL差异较大，且定位到的QTL区间跨度较大，仍有待进一步研究。

2.2 关联分析发掘大豆种子大小相关基因

关联分析又称关联作图，是通过统计分析群体内的遗传标记与表型变异之间的相关性来发掘与性状相关联的遗传位点的方法[26]。由于不需要构建遗传分析群体，关联分析已被广泛用于鉴定和验证与农艺性状和标记辅助选择育种相关的分子位点。

Wang Xiaobo等（2015）[27]对23 587份大豆种质资源中GmCYP78A10使用CAPs标记进行基因分型，发现该基因只有2种等位变异。GmCYP78A10a等位变异主要分布在野生型大豆中，GmCYP78A10b主要分布于栽培大豆，GmCYP78A10b等位变异的分布比例与种子大豆极显著正相关，与单株荚数极显著负相关，但与单株产量无明显关联，表明GmCYP78A10在大豆驯化的早期经历了人工选择。Feng X等（2022）对来自中国三大生态区共146份大豆种质材料进行了重测序，而后使用4 987個SNP进行GWAS分析，共鉴定21个种子大小相关的SNP，包括3个百粒重相关SNP、16个种子长相关SNP、2个单株粒重相关SNP，平均每个SNP能解释11.34％的表型变异；其中，位于9号染色体上的SW9-1（ss246792949T/C）位点在大粒群体和小粒群体中有显著差异，SW9-1C在野生型大豆中分布较广，SW9-1T主要分布在栽培大豆中，表明q-SW9-1是大豆百粒重的一个可靠位点，且在大豆驯化过程中受到了人工选择。Assefa T等（2019）利用419份大豆种质的基因分型数据，发掘出5个粒重QTL位点；19号染色体上相关位点的候选基因Glyma.19 g151900编码一种AP2结构域蛋白，其拟南芥中的同源基因AT1G03430.1参与了拟南芥种子大小调控。

2.3 生物信息学发掘大豆种子大小相关基因

生物信息学通过综合运用数学和信息科学等多领域方法，对生物信息进行获取、加工、存储、分析和解释，阐明大量生物学数据中包含的生物学意义，主要包括基因组学、蛋白质组学，转录组学等。

在大豆种子大小调控基因的发掘方面，生物信息学得到了广泛的运用。Lu Xiang等（2016）[28]通过研究40个发育中种子的转录组，构建了基因共表达网络，结合已报道的种子大小相关QTL位点，发掘出潜在的种子大小调控基因GA20OX。这个基因编码赤霉素生物合成中的限速酶，在拟南芥中过表达该基因表现出显著的种子增大表型，表明其对种子大小具有调控作用。Du Juan等（2017）[29]对2个种子大小差异显著的大豆品种的发育中的种子进行转录组分析，发现其中表达量差异显著的基因CYP78A5在种子大小调控中发挥重要的作用，过表达CYP78A5的转基因大豆表现出显著的种子增大表型。Gu Yongzhe等（2017）[30]利用转录组分析了野生型大豆和栽培大豆发育中种子的差异表达基因，发掘出和种子大小表型关联的差异表达基因SoyWRKY15a，研究表明该基因在野生豆和栽培豆中的不同单倍型的编码区一致，但在启动子区域存在4种单倍型，启动子区域的SNP造成了该基因在栽培豆中的表达量显著高于野生型大豆。

2.4 同源克隆发掘大豆种子大小相关基因

近缘物种间基因存在一定的同源性，许多基因在不同物种间功能保守。目前种子大小在拟南芥和水稻中的相关研究较为透彻，利用同源克隆的方法来发掘大豆种子大小调控基因也是有效的。

相关研究表明，拟南芥KLU正调控种子大小。Zhao Baotian等（2016）[31]克隆了大豆中KLU同源基因GmCYP78A72，GmCYP78A72在发育中的种子中表达量最高，在拟南芥和大豆中分别过表达GmCYP78A72都表现出显著的种子增大表型；GmCYP78A72单突变体种子大小变化不明显，但GmCYP78A57、GmCYP78A70和GmCYP78A72三突变体种子大小显著减小，表明这3个基因在调控大豆种子大小方面功能冗余，同时CYP78A72在拟南芥和大豆中功能保守。拟南芥PSK-α编码一种硫酸化五肽植物激素，参与多种植物生长发育的过程。Yu Liangliang等（2019）[32]利用同源克隆的方法从大豆基因组中克隆了1个拟南芥PSK-α同源基因GmPSKγ，这2个基因编码的蛋白质只有1个氨基酸差异，在拟南芥和烟草中过表达GmPSKγ都能显著提升种子大小，表明其对种子大小具有调控作用。Jiang W等（2020）也在大豆中同源克隆了多个拟南芥AP2家族同源基因，并在拟南芥中进行了转基因验证，发掘出多个潜在的大豆种子大小调控基因，包括GmAP2-1、GmAP2-2、GmAP2-3等。

2.5 突变体研究发掘大豆种子大小相关基因

可稳定遗传的植物突变体和其内部遗传物质的改变存在对应关系，通过构建突变体库来定位基因是有效的研究手段。

目前已有多个利用突变体来定位种子大小调控基因的报道。Ge Liangfa等（2016）[33]通过筛选快中子苜蓿突变体库发现了一个种子大小显著高于野生型的突变体mtbs1-1，并使用图位克隆的方法定位了此基因，转录组分析和其他一些分子生物学研究揭示了BS1通过与Medicago NINJA互作来调控原初细胞增殖继而调控种子大小。在大豆中过表达该基因的大豆同源基因能显著调控大豆种子大小，同时蛋白质含量有一定的提高，表明GmBS1是大豆种子大小的一个重要调控因子。Yin Pengcheng等（2020）[34]利用苜蓿小粒突变体SLB1定位到编码F-box家族蛋白的基因SLB1，SLB1与MtASK1和MtASK2共同组成E3泛素连接酶复合体并降解BS1来调控种子大小；过表达同源基因GmSLB1的转基因大豆具有显著的种子增大表型，说明SLB1参与了种子大小调控，且在苜蓿和大豆中功能保守。

3 展望

种子大小是一个多基因控制的复杂农艺性状，其调控网络涉及多种物质的相互作用[35]。结合大豆中相关研究来看，许多种子大小调控基因在各种作物之间功能保守[36]。目前大豆种子大小相关研究以发掘单个基因为主，尚未构建完整的调控路径。其他作物中已有的种子大小相关研究将为大豆种子大小调控网络的构建提供有效的参考。

大豆種子大小相关研究表明，通过QTL定位、关联分析、生信分析、同源克隆等方式可成功克隆多个大豆种子大小调控基因[37-38]，但结合这些研究来看，也存在一些不足，例如基因功能验证方面表型不够明确，许多研究缺少直接的大豆突变体表型或者过表达材料表型，这可能与大豆转基因效率偏低有关，后续大豆转基因技术的提升将加速大豆基因功能验证。目前来看，直接以大豆种子大小突变体为材料来定位大豆种子大小调控基因的相关研究并不多见，多以模式植物苜蓿中相关突变体为材料发掘基因，再同源克隆大豆同源基因，这可能归因于大豆复杂的基因组。约14万年前大豆基因组复制事件导致大豆基因组结构复杂，使用常规技术研究大豆基因功能难度较大，但是直接以大豆突变体为材料来研究大豆种子大小会更有说服力。

大粒大豆具有更好的市场竞争力，然而许多大粒变异材料常拥有多个不利农艺性状，如发芽率低、产量低等，使得发现的大豆粒重调控基因较难在育种中加以应用。发掘出好的基因单倍型，使得粒重增加而其他农艺性状变化在能接受的范围，这样的工作具有良好的育种利用前景。

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基金项目：淮安市农业科学研究院科研发展基金（HABL202226）；国家青年自然科学基金（32201729）。

作者简介：余希文（1994—），男，汉族，湖北荆州人，硕士，研究实习员，研究方向为大豆遗传育种。

王亚琪（1988—），女，汉族，河南洛阳人，博士，助理研究员，研究方向为大豆分子育种。

赵志鑫（1995—），女，汉族，山西吕梁人，硕士，研究实习员，研究方向为大豆遗传育种。

傅蒙蒙（1988—），男，汉族，安徽亳州人，博士，助理研究员，研究方向为大豆种质资源生态。

李曙光（1982—），男，汉族，河南周口人，博士，助理研究員，研究方向为大豆遗传育种。

杨加银（1963—），男，汉族，江苏兴化人，博士，研究员，研究方向为大豆遗传育种。

通信作者：徐海风（1977—），男，汉族，江苏淮安人，硕士，副研究员，研究方向为大豆遗传育种。