全基因組關聯研究剖析大豆農藝性狀的遺傳網絡

大豆為豆科，屬一年生草本植物，原產于中國，是重要的糧食作物之一。我國自古栽培大豆，至今已有5000年的種植史，現在全國普遍種植，在東北、華北、陜、川及長江下游地區均有出產，以長江流域及西南栽培較多，以東北大豆質量最優。大豆含人體必需的8種氨基酸，多種維生素和微量元素。隨著對大豆消費需要的不斷增加，改進品種以提高生產效率是目前關注的重點。

植物育種旨在將多種理想的性狀金字塔形成單一品種。然而，由于性狀相關性，育種者必須選擇同時改善相關性狀或接受與相關性相關的潛在不良影響。因此，更好地了解這些不同性狀背后的遺傳網絡有助于育種者制定有效的品種發展戰略。在過去的幾十年中，水稻功能基因組學得到了迅速發展，從而鑒定了一些控制產量和谷粒品質的關鍵基因。完善的遺傳信息使科學家們能夠提出一條清晰的道路來設計高產，優質，超級雜交稻的育種方法。然而，與水稻相比，大豆復雜性狀遺傳解剖的基礎研究必須取得更多進展才能達到同樣的水平。但大豆的性狀選擇并不簡單，作物的產量、品質等大都是多基因控制的復雜性狀，由于受到一因多效和遺傳連鎖累贅的影響，某些性狀在不同材料和育種后代中會協同變化，呈現耦合性相關。然而，不同性狀之間的相關性和影響單一性狀的基因之間的遺傳相互作用對大豆育種提出了挑戰。因此，厘清這些耦合關系，對于育種的設計非常重要。

全基因組關聯研究（GWAS）是解剖復雜性狀的有效方法，已成功應用于許多植物的研究，如擬南芥，水稻，玉米，和谷子。中國科學院遺傳與發育生物學研究所田志喜研究員聯合王國棟研究員、朱保葛研究員、華盛頓州立大學張志武研究員等多家研究團隊通過全基因組關聯研究的方法，深入解析了大豆84個農藝性狀間的遺傳調控網絡，為大豆的分子設計育種提供了重要的理論基礎。

為了解析不同農藝性狀之間的內在遺傳調控網絡，該研究團隊首先對809份大豆栽培材料進行了重測序，并對其遺傳多樣性進行了分析，明確了這些材料的群體結構。進而，研究者對這809份材料的84個產量和品質性狀進行了連續多年多點的觀測，發現不同性狀間呈現不同程度的相關性。進一步，該團隊利用全基因組關聯分析并結合新開發的上位性效應檢測方法，對84個性狀的調控位點進行了系統的全基因組掃描，共鑒定出245個顯著性關聯位點，并發現其中95個關聯位點和其他位點存在上位性效應。

一方面，這些關聯位點能很好地解析單個性狀的遺傳調控。例如，對于油含量相關性狀，共鑒定到24個脂肪酸代謝相關和21個脂代謝相關的基因，它們分別參與了不同的重要酶促反應。深入分析發現，這些基因是通過加性效應共同調控多個大豆油脂性狀的形成。

另一方面，這些關聯位點揭示了不同性狀間相互耦合的遺傳基礎。根據連鎖不平衡分析，發現115關聯位點可相互連鎖，并將所觀測的51個性狀聯系起來，形成復雜的多性狀多位點調控網絡，該遺傳調控網絡很好地解釋了不同性狀間的耦合關系。研究還發現，其中23個關聯位點起到了重要節點作用，對不同性狀的形成起到關鍵調控作用，并對其中部分位點在不同性狀耦合中的作用進行了驗證。

研究還發現，大豆的很多性狀跟緯度有關。世界上所有的大豆會生長在北緯50°到南緯35°之間，不同緯度的大豆，生長期、口感、產量和營養成分都可能會不同，這可能是由于不同緯度光照時長的差異造成的。

該研究為大豆的分子設計育種提供了重要的理論基礎，對于提高大豆的品質和產量具有非常重要的意義，同時也為其他作物的性狀耦合研究提供了借鑒。