我国大豆资源的蛋白质组分与亚基归组及其变异程度、遗传和QTL分析

摘要

大豆[Glycine max(L.) Merr.]原产于我国，是当今世界上最重要的植物蛋白与食用植物油的来源。大豆含有丰富的蛋白质和人体必需的氨基酸，蛋白质组分(主要为11S和7S及其比值)和亚基是大豆蛋白质品质的重要性状。以往蛋白质组分及其含量的测定主要采用超速离心分离或碱溶、酸沉、凝胶过滤纯化方法，这些方法适于小样本大样品的情况。对于育种和资源研究，需要一种能处理大样本小量样品、简单易行的技术。国内外不同学者曾经对蛋白质组分做过SDS-PAGE分析，电泳分析比较简易，但所分析材料多局限于局部地区的个别品种，缺乏代表性，所获蛋白质组分和亚基分子量的研究结果差异很大甚至相互矛盾，参考价值受到限制。因此，分析材料的范围有待扩大，材料代表性有待提高，以便把研究结果用于大豆蛋白质品质改良的研究中，因为育种者期望用简易方法研究资源和育种材料，提高育种成效并节省人力、物力和时间。在方法未解决时，育种者只对蛋白质含量做了分析测定，也做了一些遗传分析与QTL定位，但对11S、7S组分及其亚基相对含量的遗传分析和QTL定位研究很少。 本研究得到以下主要结果： 1.640份栽培大豆品种的提取蛋白SDS-PAGE分析结果，品种间电泳条带数和条带分子量(MW)变异很大，在SDS-PAGE谱带中不同分子量的电泳条带呈现连续分布的趋势，没有间断点。参照前人结果，根据分布峰谷状况，按分子量把SDS-PAGE谱带划分成两个区域：分子量MW<44 KDa区域和分子量MW≥44 KDa的区域。第一个区域对应为11S组分，第二个区域对应为7S组分。进一步按照电泳条带次数分布的峰谷变化将条带分组称为亚基组。第一个区域的电泳条带归为4个亚基组，即11S-1(14.4-22 KDa)、11S-2(22-26 KDa)、11S-3(26-34 KDa)和11S-4(34-44 KDa)；第二个区域的电泳条带归为6个亚基组，即7S-1(44-49KDa)、7S-2(49-55 KDa)、7S-3(55-67 KDa)、7S-4(67-73 KDa)、7S-5(73-82 KDa)和7S-6(82-91KDa).11S-1～11S-4相对含量之和作为11S组分的相对含量，7S-1～7S-6相对含量之和作为7S组分的相对含量，从而计算11S/7S的比值。 2.对全国138份野生豆、409份地方品种和148份育成品种以及83份国外引进品种(合计778份)的蛋白质组分有关性状分析结果，全国野生豆蛋白质含量、油脂含量和蛋脂总含量变幅分别为39.2～54.2％、7.5～17.5％和47.3～64，6％，地方品种为38.8～51，5％、11.5～23.4％和55.6～70.6％，国内育成品种为41.7～49.4％、12.9～24.9％和55.6～72.0％。野生豆驯化为栽培豆并经人工选育后油脂含量和蛋脂总含量有大幅增加，而蛋白质含量平均数和变异度则有减小，说明以往人工进化着重在油脂含量的改进。蛋白质含量、油脂含量和蛋脂总含量3性状各群体在各生态区内均有较大变异，区平均间差异并不大，各区都有优良变异。 野生豆蛋白质含量、油脂含量和蛋脂总含量与来源地纬度并未发现相关；栽培豆地方品种和育成品种的油脂含量与地理纬度出现显著正相关；育成品种蛋白质含量与地理纬度还出现显著负相关；野生自然状态下蛋白质含量和油脂含量之间无相关，而栽培豆地方品种和育成品种依次增强了负相关，说明形成这种相关的原因在于地区间油脂含量人工进化程度的差异。 全国野生豆、地方品种和育成品种11S相对含量平均分别为54.7％、64.8％和71.7％，变幅28.8～82.6％、38.8～79.4％和48.2～88，9％；7S相对含量平均分别为44.7％、34.9％和27.9％，变幅20.6～71.2％、20.6～61.1％和15.7～47.8％；11S/7S比值平均分别为1.4、2.0和2.7，变幅0.4～3.9、0.6～3.9和0.9～4.0.野生豆驯化为栽培豆并经选育后11S相对含量和11S/7S比值上升，7S相对含量下降，变幅均减小；亚基组11S-2和11S-3相对含量增加；7S的6个亚基组，尤其7S-1和7S-6，相对含量下降。11S、7S、11S/7S在各群体各生态区内均有较大变异，与来源地纬度、蛋白质和油脂含量均无显著相关。 从各生态区和国外引进品种中优选出高蛋白质(≥50％)、高油脂(≥23％)和高蛋脂总含量(≥68％)种质各10份，优选到11S/7S比值大于3.7、11S相对含量为78.9-88.9％的8份种质，发现有11S的4个亚基组相对含量分别大于37％、7S的6个亚基组相对含量分别大于24％、以及11S-1和7S的6个亚基组缺失的种质。 3.以蛋白质组分有关性状差异较大的科丰1号与南农1138-2衍生的RIL群体(NJRIKY，简称KY)和ZDD2315与Essex衍生的BIL群体(NJBIEX，简称EX)为材料，用主基因+多基因混合遗传模型分析大豆蛋白质组分有关性状的遗传机制，结果在KY中蛋白质含量主基因和多基因的遗传率分别为31.3％和53.7％，11S组分相对含量的为14.3％和50.7％，7S组分相对含量的为34，5％和45.1％，11S/7S比值的为74.8％和20.1％，4个11S亚基组的为45.2～77.9％和15.5～41.2％，6个7S亚基组的为38.9～67.8％和29.2～45.5％。在EX中蛋白质含量的为40.9％和37.2％，11S组分相对含量的为60.7％和17.0％，7S组分相对含量的为44.1％和21.6％，11S/7S比值的为56.6％和10.1％，4个11S亚基组的为45.4～67.6％和26.6～53.4％，6个7S亚基组的为76.2～92.6％和5.0～22.2％。在KY中蛋白质含量、11S和7S组分相对含量的多基因遗传率高于主基因遗传率，而11S和7S的亚基组则相反。EX中多数性状的主基因遗传率高于多基因遗传率，两个群体的蛋白质组分有关性状的多基因遗传率有差异，但都比较高，在主基因+多基因混合遗传中具有重要作用。 4.以KY和EX为作图群体采用Win QTL Cartogapher Version2.5程序，利用CIM法进行QTL检测，结果在KY中蛋白质含量2个QTL(Blpr和Eprl)，累计贡献率为16.5％。11S组分相对含量2个QTL(A211S和DlallS)，累计贡献率为13.3％。7S组分相对含量2个QTL(I7S1和I7S2)，累计贡献率为12.7％.11S/7S比值3个QTL(Dlarat、Iratl和Irat2)，累计贡献率为19.8％.11S和7S的亚基组QTL贡献率均低于10％。在EX中蛋白质含量1个QTL(Epr2)，贡献率为10.6％.11S组分相对含量2个QTL(E11S和B211S)，累计贡献率为23.5％。7S组分相对含量3个QTL(E7S1、E7S2和D1b-27S)，累计贡献率为38.3％。11S/7S比值1个QTL(Erat)，贡献率为14.3％。4个11S亚基组QTL贡献率为8.7～21.9％，其中11S-1的QTL(M11S-11)贡献率最高(21.9％)，6个7S亚基组QTL贡献率8.2～16.3％.在KY的D1a连锁群上的分子标记GMKF008b-GMKF008a之间和在EX群体的E连锁群上的分子标记sat380-satt263之间各检测到3个QTL，GMKF008b-GMKF008a与11S组分的QTL D1a11S、11S/7S比值的QTL Dlarat和7S-2亚基组的QTL D1a7S-2相关联，sat_380-satt263与11S组分的QTL E11S、7S组分的QTL E7S1和11S/7S比值的QTL Erat相关联，它们是重要的分子标记。在两个群体中除了个别性状，检测到的QTL位点贡献率都很低(KY中一般低于10％，EX中约10％左右)，没有检测到贡献率高的主效QTL位点。蛋白质组分有关性状的遗传中主效QTL数量少、贡献率低，仅能解释约10％的表型变异，因此，多基因起着重要作用，这与遗传分析的结果相一致。 本研究提出的亚基组划分标准和方法，经验证试验证明简单、稳定和使用方便，并在本研究的资源分析、遗传分析和QTL分析中得到应用。通过对778份资源的分析所筛选的特异种质可供蛋白质组分育种利用。遗传分析和QTL分析说明在蛋白质组分有关性状的遗传中多基因具有重要作用，在提高蛋白质含量和改善蛋白质组分时既要利用主基因又要注意多基因的积累。QTL分析发现的重要分子标记，有希望作为标记辅助选择育种的参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一部分文献综述

第一章文献综述

1.1大豆在我国国民经济及人民生活中的重要地位

1.2大豆籽粒蛋白质及其提取蛋白的组成

1.3大豆蛋白质组分提取、凝胶特性及电泳分析研究

1.4我国大豆种质资源蛋白质及蛋白质组分的含量测定

1.5我国大豆生态区域种质资源蛋白质组分性状变异特点

1.6大豆蛋白质含量及其组分的遗传研究

1.7分离分析检测OTL的方法及其应用

1.8大豆蛋白质性状基因定位研究进展

1.9本研究的目的与意义

第二部分研究报告

第二章研究材料与方法

2.1研究材料

2.2研究方法

2.3数据分析

第三章大豆资源的蛋白质组分和亚基归组的SDS-PAGE分析

3.1结果与分析

3.2讨论

3.3主要结论

第四章我国大豆资源蛋白质组分有关性状的变异及生态特点

4.1结果与分析

4.2讨论

4.3主要结论

第五章大豆蛋白质组分有关性状的遗传分析与QTL分析

5.1大豆蛋白质组分有关性状的遗传分析

5.2大豆蛋白质组分有关性状的QTL分析

第六章全文讨论、结论及创新点

6.1讨论

6.2全文结论

6.3创新点

参考文献

撰写论文情况

致 谢