分子標記在綠豆遺傳連鎖圖譜構建和基因定位研究中的作用

權彪

摘 要：綠豆是一種醫食兩用的豆類作物，在改善土壤條件和提高農戶收入方面有著重要的影響，但是當前國內外對于綠豆遺傳學方面的研究還比較少，分子標記作為一種新型的生物技術研究手段，可以幫助研究綠豆基因組的結構和功能，能夠用于基因定位研究，分子克隆方面等，在綠豆遺傳學研究中遺傳連鎖圖是重要的研究內容，也是微觀層面不可缺少的技術平臺。近年來，國內外實驗室運用分子標記技術已經成功構建了20張以上的綠豆遺傳連鎖圖譜，其中對綠豆基因組中的抗性基因及具有優良性狀控制的基因進行精確定位，為綠豆的分子標記提供基礎，有利于研究抗性菌株以及優良品種的培育。本文通過對分子標記在綠豆遺傳連鎖圖譜構建，以及一些抗性基因、優良基因等具有重要功能的基因進行精確定位和功能研究，并分析了控制綠豆的農藝性狀基因鑒定，為之后對綠豆全基因組學分析及優良品種培育提供參考。

關鍵詞：分子標記；綠豆；遺傳連鎖；圖譜構建；基因定位

綠豆屬于豆科類，豇豆屬，有22條染色體，其營養價值比較高，蛋白質含量最高可達30%以上，是一種高蛋白，低脂肪的食物，理論上來看是比小麥、水稻的蛋白質含量高的。另外，綠豆中還含有多種礦物質元素，維生素等微量元素，可以補充人體生命活動所需的能力，對降低血脂、血壓、預防癌癥等方面都有比較好的保健效果，尤其是其中還含有豐富的鐵元素，一定程度上可以改善人體的貧血癥。除對人體有直接作用外，綠豆根系中的根瘤菌具有固氮能力，可以改善土壤條件，提高經濟作物的產量，綠豆的生育期比較短，能夠適應各種生長條件，經濟效益高也贏得了越來越多的社會關注。綠豆屬于雜糧作物，從全球種植分布范圍來看，在發展中國家種植的面積比較大，但是相比其他大宗作物，綠豆的功能基因組學研究卻相對滯后，由于對綠豆部分基因功能研究不清楚，也制約了綠豆產業的發展，近年來，人們生活水平提高，注重飲食和膳食結構，不斷調整農業種植結構，在科研方面也加大投入力度，綠豆的全基因組測序已經完成，分子標記可以反映綠豆個體或種群間基因組中某種差異的特異性DNA片段，可進行基因定位，運用分子標記技術對于綠豆基因組學研究起著重要的作用。

一、綠豆遺傳連鎖圖譜的構建

分子標記遺傳連鎖圖譜是染色體進行重組交換，并對其進行連鎖分析，根據染色體上的標記進行位置排列，在基因組學研究中這種方法是比較常見的，也可用于分子克隆、特定基因定位、物種演化等研究。迄今為止，實驗室中利用分子標記技術構建了20張以上的綠豆遺傳連鎖圖譜，而且隨著分子標記技術的成熟和發展，在構建圖譜的過程中精確度越來越高，遺傳圖譜的作圖群體包括回交群體，F2群體等。第一張綠豆遺傳連鎖圖譜是生物學家利用兩種不同品種的抗豆象和感豆象綠豆進行雜交獲得F2群體，這張遺傳連鎖圖譜中有170多個分子標記，平均分布在14個連鎖群上，后來N.D.Yong等人以相同的品種雜交獲得多個F2單株的群體，也構建出了一張長為1300cm左右的綠豆遺傳圖譜。這些遺傳圖譜被用于研究綠豆的基因功能，以及對特定優良性狀控制的基因進行精確定位，為今后深入研究綠豆基因組打下基礎。

二、綠豆優良基因的精確定位

綠豆在生長過程中由于常會受到病蟲害的影響，尤其在儲存使也容易被綠豆象等害蟲侵蝕，這對于綠豆的質量和產量都受到了一定的不良影響，過去在綠豆防止方面主要采用的是化學方法，通過施加化肥、農藥減少病蟲的危害，但是化學藥劑的使用對于環境污染、農業經濟效益、人們的身體健康是極其嚴重的。為了能夠避免二次污染，減少化學農藥的使用，生物學家采用了生物防治的方法，培育優良的抗性轉基因品種，目前這種方式也是最有效，最實用的措施，如何培育抗性品種和挑選抗性基因成為生物防治的主要問題。從遺傳學的角度出發，綠豆很多性狀比如：控制產量的，質量，抗性方面的表型幾乎都是數量性狀遺傳，并不是受單個基因的直接控制，這給綠豆優良基因的精確定位的研究帶來了一定的困難。隨著科學技術的發展，分子標記技術和遺傳連鎖圖譜越來越被廣泛用于研究基因定位以及作物的遺傳機理研究。

目前針對綠豆優良基因精確定位的研究比較典型的有綠豆抗豆象遺傳，綠豆抗白粉病，綠豆黃花葉病毒，葉斑病等方面。在綠豆抗豆象遺傳研究中，已經經過鑒定的品種共有3份，而且通過實驗數據表明這種控制抗豆象性狀的基因是由多對主效基因和微效多基因共同調控的，同時還受到母性遺傳的影響，對已發現的兩份抗豆象栽培株進行抗豆象基因連鎖標記篩選時發現，其抗性基因不等位，利用測序技術發現在抗豆象基因候選區存在多個堿基突變的基因，目前這種基因定位已經取得了很大進展，利用連鎖標記可以實現打斷抗豆象基因和小子粒，以及低產量等不良性狀的連鎖，有利于抗豆象品種的育種。綠豆抗白粉病的基因是根據研究材料的不同，基因定位也會發生相應的變化，目前針對其抗性遺傳機制研究和基因位點分析報道比較多，主要也是采用分子標記手段找到控制白粉病的主效位點，比如研究者用高抗病品種和感病品種進行雜交，并用RFLP標記構建綠豆的遺傳連鎖圖譜，檢測到造成86%的遺傳變異的這種主效基因位點，但是不同的抗原間的遺傳機理是有區別的，因此抗白粉病的基因是不等位的。

三、控制綠豆的農藝性狀基因鑒定

在農業方面對綠豆的粒重和生育期進行研究，表明綠豆的顆粒大小是一種數量性狀，也不是受單個基因調控的，C.A.Fatokun利用RFLP標記對控制綠豆子粒大小的相關基因進行檢測，發現了4個影響基因區域，后來有研究者以大粒和小粒品種進行重組自交，并構建了分子標記連鎖圖譜，包含78個分子標記位點，但其檢測到的位點與C.A.Fatokun沒有基因重合區域，表明增加粒重的等位基因是來源于野生品種中的，綠豆野生株中本身含有很多優良的基因，可以充分挖掘這種優良基因用于后續的育種工作中。另外，有研究表明控制兩個相關性比較強的性狀其基因區域是會富集在一起的，可以用一因多效來解釋這種現象。綠豆基因在表達過程中很容易受到外界環境和生育期的影響，QTL技術可以檢測到控制某種數量性狀的基因在基因組中的位置，但是這種檢測需要對不同時間和地點進行大量檢測，才能保證數據的準確性，而且不同的群體類型、作圖方式等會使QTL的數量和定位也會產生差異，但是總的來看，QTL對于綠豆分子標記用于培育優良品種起著重要的作用。因此在后續工作過程中，需要注意構建綠豆遺傳連鎖圖譜是要選擇較大的次級作物作為作圖群體，消除部分遺傳背景下的干擾，提高作圖的準確度；過去構建的遺傳連鎖圖譜多采用第一代分子標記，今后需要使用數量多且穩定性強的新型分子標記，需要增加分子標記數目，確保連鎖群數目和染色體數目的一致性。

四、小結

綠豆作為一種食藥作物，在生長和儲存過程中很容易受到病蟲、環境的不良影響，如何選育高質量、高產量的綠豆作物是育種工作的重點，為了實現農業綠色發展，當前主要采用生物防止的方式來代替化學農藥，并且隨著科學技術的發展，研究學者通過對一些控制優良性狀的基因進行基因定位，目前針對綠豆優良基因精確定位的研究比較典型的有綠豆抗豆象遺傳，綠豆抗白粉病，綠豆黃花葉病毒，葉斑病等方面，運用了分子標記的方式，構建綠豆遺傳連鎖圖譜，一方面，可以幫助育種工作挑選優良基因，比如抗性基因和控制產量的基因，基因連鎖標記可以輔助進行育種早代的選擇，不斷提高選擇效率；另一方面可以有效打破不良基因與優良性狀之間的連鎖關系，主要運用分子克隆，構建轉基因，實現在分子水平上的育種，培育高質量、高產量、抗性的新品種。隨著綠豆全基因組測序的完成，很多已知的序列可以幫助開發各種新型的分子標記，有利于綠豆遺傳連鎖圖譜的構建，以及待研究基因的精確定位，從一定程度上說，可以推動綠豆基因組學的發展進程。

參考文獻：

[1]孫蕾，程須珍，王素華，等.栽培綠豆V2709抗豆象特性遺傳及基因初步定位[J].中國農業科學，2008，41（5）：12911296.

[2]鐘敏.綠豆遺傳連鎖圖譜的構建及抗豆象基因定位[D].北京：中國農業科學院，2012（1）.

[3]孫蕾，程須珍，王麗俠.綠豆抗豆象研究進展[J].植物遺傳資源學報，2007，8（1）：113117.