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论北美大豆的育种现状及其启示

2013-07-12 10:58 来源:农业推广学论文 人参与在线咨询

北美大豆的育种现状分析

1.大豆遗传资源的收集及评价

美国农业部(USDA)科研人员先后举行两次大规模调查。Dorsett于1924~1926年在中国东北部收集1500份大豆资源,并送回美国。此后,Dorseet和Morse又于1929~1931年从中国、日本和朝鲜半岛收集约4500份资源。现在,美国农业部设在伊利诺伊大学香槟分校的大豆遗传资源基因库,保存有19000多份大豆种质资源。另外,作为美国大豆遗传资源的长期保存库,同样的资源还保存在美国马里兰州的贝尔茨维尔和密西西比州的斯通威尔。上述基因库保存并续繁了极为宝贵的种质材料,并对保存种质的形质性状进行系统评价,为世界大豆育种研究作出重要贡献。位于加拿大中南部城市萨斯卡通的加拿大农业部基因库,仅保存极少量的大豆种质资源,大部分加拿大育种家的育种研究,都要依赖于美国收集的资源。随着人类有目的选拔活动的不断深入,在野生大豆的进化演变过程中,大豆遗传变异基础愈加狭窄,遗传多样性也异常低下。其主要原因是野生种有的最低碱基序列多样性,随着作物化的演变进程被减半,稀少的等位基因81%被遗失,遗失基因的60%是具有显著变化特性的等位基因。

2.北美普通大豆的遗传改良育种

在北美通常认为,新开发品种对大豆增产的贡献率最大,每公顷年增产幅度大约在23kg[13]。在过去70多年时间里,北美大豆育种家们主要致力于提高大豆产量、品质以及病虫抗性、倒伏抗性等研究。在大豆广适性品种开发方面,也由美国北部扩大到加拿大南部等高纬度地区。有关作物改良的研究,1985年前,主要由公立研究机构主导。此后,美国私立研究机构已取代公立机构,主导大豆新品种的开发研究。尤其是最近40多年来,私立研究机构的贡献率正呈逐年提高的趋势。在美国中部和南部地区,育种家们多利用淡季闲置下来的保护地苗圃等作为加代繁殖的场所,来加快选育进程。所采用的育种方法多为系谱法、单粒传法、回交选育法或者混合改良法等。近年来,随着计算机网络化系统数据库软件的广泛应用与开发,多变量解析等复杂遗传变异的研究,使北美育种家的育种程序向着简便化发展,使效率化育种成为可能[14]。它将成为比通过实际的试验交配来评价杂交亲本配合力更有效地选择方法之一。为了促进大豆基因重组,获得更大的遗传变异,北美的少数几个研究小组,在雄性不育、双亲交配、循环选拔等方面进行有效尝试,并获得一定程度的成功。近年来,极少数研究小组进行了F1杂交大豆的开发应用、复合品种及多系品种的培育尝试[13]。过去几十年,来自中国北部的大豆遗传资源,对美国北部和加拿大的品种选育及开发作出较大贡献,而引自中国南部的大豆遗传资源,已成为美国南部育成品种的祖先[14]。根据Cui等近缘系谱分析,北美食品加工用大豆品种的遗传基础与同地域栽培的加工用品种存在差异,其遗传多样性更为丰富[15]。Martin等对北美大豆产量遗传贡献的众多调查结果表明,即便是产量最高的农家品种,距离理论上的选择极限仍有差距[16]。选择极限就意味着再无可利用的遗传变异,对北美大豆育种家来说,这种威胁正越来越近。因此,努力扩大遗传资源基础对大豆育种是至关重要的。

3.加工专用型大豆新品种的选育

在北美洲,特殊用途的大豆,通常指可用来制作豆腐、纳豆、豆乳、豆酱等某些专用品种,以及黑大豆、菜用大豆(亦称毛豆)等。此外还有蛋白质加工用豆,部分的油分加工用豆,有机大豆以及加工功能性食品用等能够满足特殊市场需求的大豆类型。通常它们的产量及其他综合农艺性状都比已推广的高产大豆品种略差[15]。豆腐用品种,当初是以蛋白质含量高、百粒重大为育种目标进行开发的。百粒重一般在22~25g,蛋白质含量为44%~48%。美国Vinton大豆品种就是为满足豆腐加工市场需求而开发的第一代豆腐专用品种群的品种之一。到1991年,加拿大农业与农业食品部研究所开发的Harovinton推广普及,成为后来育成的高品质品种群的先驱[17]。大豆蛋白质含量的高低及组分的构成,是决定豆腐出率及品质的重要因素。豆腐常用的亚基品种多为球蛋白组分Ⅱa亚基缺失的品种,即A5A4B3亚基缺失型品种。Poysa等研究表明,使用7S球蛋白的α-亚基和11S组分的Ⅱa亚基双缺失,且11S组分的Ⅰ及Ⅱb亚基含量高的大豆基因型品种,可以做出硬而富有弹性的高品质豆腐[18-19]。在北美,有关豆腐用品种的开发研究,仅局限于极少数的公立大学及研究机构。在研究内容方面,北美育种家多以各种蛋白质亚基缺失的品种开发为主。在北美最初育成的纳豆用品种,为加拿大农业与农业食品部AAFC(AgricultureandAgri-FoodCanada)研究所Harvey指导下育成的品种,和弗吉尼亚工科大学GlenBuss开发的品种。Cober和Voldeng研究认为,小粒种育种应用集团选拔育种法,可以有效减少配制的集团组合的数量,降低工作量[20]。脂肪酸组成改良方面,北美Hammond和Fehr利用EMS(Ethylmethanesulfonate)诱变处理,育成低亚麻酸含量(≤4.1%)品种[21-22];Wilcox和Caviness通过对Century进行EMS处理,育成亚麻酸含量3.5%以下品种[23]。现在,北美推广的低亚麻酸含量的大豆品种,是已知的3个fan基因中的两个发生突变的结果,亚麻酸含量可降到2.5%~3%,若3个fan基因均发生突变,亚麻酸含量可降到1%[24]。目前,有关将油酸转化为亚麻酸的3个fan基因(GmFAD3A、GmFAD3B、GmFAD3C)的分子突变解析已经完成[25]。美国从2006年1月开始,出台了“加工食品有义务标注反式脂肪酸含量”法规,食品厂家为使其产品的反式脂肪酸含量接近,低亚麻酸大豆品种变得备受欢迎,助推研究机构开发超低亚麻酸含量大豆品种的积极性。现在,先锋公司注册的Treus、孟山都公司注册的Vistive商标,开始低亚麻酸大豆的商业化生产。据Pham等研究,至2009年,油酸含量≥80%、并获专利保护的大豆新品系已经开发成功[26-27]。育种家还致力于提高异黄酮、维生素E、叶黄素等功能性成分含量及降低植酸、过敏原蛋白含量等的改良[28-33]。

4.F1大豆杂交种育种的选育

大豆F1杂交种育种研究方面,与自花授粉的水稻一样,大豆也开展通过培育杂交种提高大豆产量的探索[34],研究认为杂交大豆产量若能比常规高产品种增产10%~20%,杂交大豆的推广应用价值就会被认可。但是,由于受授粉机制的制约,大豆F1杂交种的规模化生产还存在一定难度,已育成的品种也因为在制种规模及成本等方面的障碍而无法得到大面积推广应用。在近几年,随着质-核雄性不育系的逐渐改良,大豆F1杂交种的规模化、低成本制种将有助于F1大豆杂交种的快速推广[34]。

5.分子标记在抗逆育种、基因挖掘、纯度鉴定等方面的应用

MAS分子标记辅助选择育种在大豆抗病新品种选育上的应用,已被证明是极为有效地选择方法[11]。它在大豆抗孢囊线虫(SCN,Soybeancystnematobe)育种上的应用,已有较多成功的先例。在大豆茎疫病、落叶病等抗病育种选拔上,也取得显著效果。据最新报道,杜邦公司应用MAS技术,在大豆锈病、斑点病以及蚜虫抗性育种方面取得成功。孟山都公司通过现代生物技术与传统育种技术的集成,在大豆遗传资源选拔上,从过去的百万分之一提高到五分之一,选拔效率发生巨变。最近,美国爱荷华州立大学联合美国农业部对大豆转座子TgmW4的克隆解析表明,它可以使既知功能的大豆基因的克隆变得容易起来[35]。由于MAS不受害虫与植物互作影响,鉴定结果具有一贯稳定的可靠性,而且,在分子水平上可为品种纯度及真伪性鉴定提供便捷、可靠的检测手段,因而具有很高的利用价值。

6.转基因大豆育种

1996年至今,已开发出1000多个草甘膦耐性的GMS品系[36]。目前,所有的草甘膦耐性GMS,均来自拥有CP4EPSP合成酶基因源系统的“40-3-2”。但是,随之而来的耐草甘膦除草剂的超级杂草也相伴而生。近年在北美出现的草甘膦耐性杂草,已成为影响北美大豆生产一个不可回避的因素[37]。2009年后,孟山都公司新开发的第2代草甘膦耐性品种RoundReady2Yield(RR2Y),与第一代相比,导入基因相同,但是插入基因组内的位点不同,而且具有同等的草甘膦抗性。由于其丰产性较好,大有取而代之的趋势[37]。MON98788GMS品种就是以农杆菌为载体,将目标基因插入到分裂组织而获得的GMO(Geneticallymodifiedorganisms)。据孟山都公司研究,此基因的插入,在提高产量及优异形质导入平台的构筑等方面,比最初品种群能发挥更大的作用[37]。拜耳公司在2009年也将RR2Y技术导入到有草胺膦耐性LibertyLink系列品种中。大豆品系A2704-12,A2704-21及A5547-35,是通过基因枪轰击,将包含CaMW35S启动子序列和一段受终止序列调控后改变的pat基因的pUC19基础质粒,导入受体细胞育成的。编码草胺瞵-N-酰基转移酶的pat基因是从好气性土壤放线菌分离出来的绿色链霉菌克隆的,是它赋予植物耐草胺膦的特性[37]。另据先锋良种国际有限公司的报道,不久的将来,兼耐草甘膦和ALS(乙酰乳酸合成酶)抑制性除草剂的OptimumGAT性状将导入到大豆中。这项技术是利用基因枪将两个耐不同类型除草剂的新基因,同时导入到一个大豆品种去。它包含的两个基因,一个是可以赋予植物草甘膦耐性的基因gat4601,另一个是编码不受阻碍乳酸乙酰合成酶(ALS)除草剂(咪唑啉酮系)影响的、可改变ALS酶的gm-hra基因[37]。可以预见此品种会在继RR2Y、LibertyLink品种推出后,成为又一个备受注目的新品种。这些颇具竞争力的技术所占的市场份额,将由除草剂使用的容易程度,防除杂草的广谱性、有效性、丰产性、害虫耐性等综合农艺性状以及遗传背景决定。这些技术与原技术的差异,在于它可为GMS带来新的杂草管理模式。其他GMO形质,也都处于市场开发或法律程序申请等阶段。其中,离GMO市场化最近的将可能是先锋公司正在开发或处于规制申请阶段的高油酸含量(>80%)的大豆品系。这种GMS的推出是由于将单拷贝的外源cDNA基因GmFad2-1导入受体,抑制发育中大豆种子内源GmFad2-1(编码油酰磷脂酰胆碱ω-6脱氢酶)基因表达,从而显著提高油酸含量,改善大豆油脂肪酸组成[38]。

北美大豆育种展望及我国大豆生产和育种科研的思考

1.北美大豆育种展望

北美大豆总产量占世界大豆总产的份额虽然在减少,但随着大豆在食品、油、饲料以及工业原料等领域用途不断扩大,将会更进一步激活北美大豆产业。在改良大豆品质、增加其附加值基础上,提高大豆产量仍将是北美乃至世界各国大豆育种家们最重要的育种目标。前述的GMS品种多以除草剂耐性或某一种子成分含量等单一形质的改变为主,随着GMO技术的日渐成熟,能同时改良2种或2种以上形质的新品种的育成,将成为新GMO育种目标。例如,孟山都公司计划到2030年前,将实现RoundupReady大豆品种产量比2000年提高1倍[39]。如何突破F1大豆杂交种制种瓶颈,提高其杂种优势,仍将是吸引大豆育种家致力研究的课题之一。在大豆品质改良方面,为了能够使大豆油分、蛋白质及功能性营养成分等的组成、含量有较大改善。美国大豆基金会2002年专门编制“好大豆品种计划”(BBI,Betterbeaninitiative),并成立一个成果转化利用中心,其目的就是应对广大消费者的需求,在不影响大豆产量和栽培特性的基础上,进一步提高大豆油和蛋白的品质,以提高其附加值,制定分析标准及分析技术,解明影响大豆品质的潜在因素。随着大豆基因组解析的深入研究,SSR、SNP等分子标记的进化及产量限制因素分子机制的解明,在大豆病虫害的抗性育种、高产育种等领域,发生根本性的变革是值得期待的。

2.我国大豆生产和育种科研的思考

从北美大豆的历史发展沿革、生产销售以及北美大豆育种的形势来看,北美大豆的耕种史,虽然远不及我国历史久远。但是,它们在经历二战及之后的40多年的发展后,在总产和单产各方面发生质的飞跃。而我国同期的大豆总产仅为美国的1/6,单产也仅为美国的3/5,即便如此,我国仍然是大豆净出口国。但是,自1996年后,随着美国GMS的不断扩张及出口份额的急剧上升,我国已由原来的纯出口国急转为净进口国。我国大豆的发展,由此呈现出一种“国内消费高度供不应求,国内生产供过于求”的现象。就大豆育种工作者而言,应具备超前的思维理念,制定的育种目标,既应该考虑产业链上游的生产者对品种高产、抗病等农艺性状的需求,又能反映产业链下游的加工企业,特别是要注重与我国大豆深加工企业沟通,及时了解企业对加工用大豆品种性状的需求,高产、优质、多抗育种的基础上,将现代生物技术与传统育种技术集成组装,加快加工专用型高附加值大豆新品种的培育,以降低企业的加工成本,在确保企业及农场主等各方利益最大化的同时,也确保国产大豆上中下游全产业链的良性健康发展。(本文图表略)

本文作者:王绍东 刘伟 于佳 姜妍 王浩 李远明 单位:东北农业大学国家大豆工程技术研究中心

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