陳 影 張晟瑞 王 嵐 王連錚 李 斌 孫君明

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野生和栽培大豆種質(zhì)油脂組成特點(diǎn)及其與演化的關(guān)系

陳 影**張晟瑞**王 嵐 王連錚 李 斌*孫君明*

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所/ 作物分子育種國家工程實(shí)驗(yàn)室/ 農(nóng)業(yè)部農(nóng)村大豆生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081

以58份不同類型(野生、半野生和栽培)大豆種質(zhì)為材料, 利用32對(duì)SSR標(biāo)記分析大豆種質(zhì)間的遺傳多樣性和進(jìn)化關(guān)系, 采用NIRS和GC方法分別分析大豆脂肪含量和脂肪酸組分含量, 研究不同類型大豆種質(zhì)油脂組成特點(diǎn)及其與演化的關(guān)系。結(jié)果顯示, 野生大豆和栽培大豆的油脂組成存在顯著差異, 栽培大豆脂肪含量(平均20.8%)顯著高于野生大豆(平均10.49%), 油酸含量(平均28.5%)顯著高于野生大豆(平均14.37%), 而亞麻酸含量卻顯著低于野生大豆; 由相關(guān)性分析可知, 大豆種子中的脂肪與油酸含量顯著正相關(guān)(= 0.85**), 而與其他脂肪酸組分極顯著負(fù)相關(guān); 油酸與所有其他脂肪酸組分均負(fù)相關(guān), 特別是與亞麻酸和亞油酸呈極顯著負(fù)相關(guān)(=-0.90**和-0.89**); 油脂組成和SSR標(biāo)記對(duì)不同類型大豆種質(zhì)的聚類和主成分分析表明, 2種分類結(jié)果基本一致, 可分為栽培和野生2個(gè)亞群, 半野生大豆則分布于2個(gè)亞群中。由此可見, 大豆油脂組成與大豆種質(zhì)的馴化程度有關(guān), 脂肪含量和亞麻酸含量可以作為大豆演化分類的參考指標(biāo)。

野生大豆; 半野生大豆; 栽培大豆; 脂肪含量; 脂肪酸組分

大豆(L. Merr.)是世界上四大油料作物之一, 為食用植物油的主要來源。大豆油中含有豐富的脂肪酸, 主要包括棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸和亞麻酸, 其中棕櫚酸和硬脂酸為飽和脂肪酸, 油酸、亞油酸和亞麻酸為不飽和脂肪酸[1-2]。不同脂肪酸組成決定大豆油的品質(zhì)和最終用途[3]。多不飽和脂肪酸可以促進(jìn)體內(nèi)膽固醇的代謝, 對(duì)預(yù)防心血管疾病有著顯著的作用[4]。另一方面, 多不飽和脂肪酸亞油酸和亞麻酸中含有較多的不飽和鍵, 易被脂肪氧化酶氧化, 從而降低大豆油的保存期限和品質(zhì)[5-6]。飽和脂肪酸含量升高可以提高豆油的穩(wěn)定性, 但因其很難被人體所吸收, 攝入量過高易引發(fā)高血脂、冠心病、肥胖癥等疾病, 不利于人體的健康[7-8], 因此, 依據(jù)不同的需求選育不同脂肪酸組成的大豆品種是十分必要的。根據(jù)系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系, 大豆種質(zhì)可分為野生()、半野生()、栽培大豆() 3種類型。前人利用大豆形態(tài)學(xué)分類方法研究種質(zhì)間馴化關(guān)系, 并對(duì)不同類型大豆種質(zhì)的脂肪含量和脂肪酸組分分析發(fā)現(xiàn), 栽培豆中的脂肪含量顯著高于野生豆[9]; 且不同類型大豆間的油酸、亞油酸和亞麻酸組成存在顯著差異[1]。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展, AFLP、SSR和SNP等分子標(biāo)記被廣泛應(yīng)用于大豆種間親緣關(guān)系和演化關(guān)系的研究[10-12]。本文采用近紅外光譜和氣相色譜分析方法分別分析野生、半野生和栽培大豆籽粒中的脂肪含量和脂肪酸組成, 結(jié)合大豆形態(tài)學(xué)和分子標(biāo)記分類方法, 研究其油脂組成特點(diǎn), 探討在大豆馴化過程中油脂組成的演化規(guī)律, 為大豆品質(zhì)改良育種提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 大豆試驗(yàn)材料

選用不同類型的大豆種質(zhì)58份, 根據(jù)形態(tài)學(xué)特征將其分成3種類型, 即27份野生大豆、7份半野生大豆和24份栽培大豆(表1)均由本單位大豆基因資源創(chuàng)新研究組邱麗娟研究員提供。2017年6月將材料種植于中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所北圃場(chǎng)基地, 采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 單行區(qū), 行長(zhǎng)2.0 m, 行距0.5 m, 株距0.1 m, 按株行收獲脫粒, 4℃保存待用。

表1 58份不同類型的大豆種質(zhì)

1.2 大豆葉片DNA的提取

于苗期取每份大豆種質(zhì)0.1~0.2 g幼葉放入研缽, 加液氮充分研磨, 取100 mg樣品放入1.5 mL離心管。使用TIANGEN新型植物基因組DNA提取試劑盒(離心柱型)提取大豆葉片基因組DNA。利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA質(zhì)量, 使用NanoDrop 2000紫外-可見分光光度計(jì)檢測(cè)DNA的濃度和純度。

1.3 大豆種質(zhì)基因型分型

參照王彪等[13]的研究方法選用32對(duì)均勻分布在大豆20個(gè)遺傳連鎖群上的SSR引物, 根據(jù)SoyBase網(wǎng)站(https://soybase.org/)提供的SSR引物序列, 由北京梓熙生物科技有限公司合成, 并使用FAM (藍(lán)光)和HEX (紅光) 2種熒光基團(tuán)修飾上游引物。PCR主要試劑來自全式金生物技術(shù)有限公司。PCR反應(yīng)體系總體積15 μL, 其中1.5 μL 10×PCR buffer、1.5 μL 2.5 mmol L-1dNTP、正反向引物各0.5 μL、0.2 μLpolymerase (5 U μL-1)、大豆基因組DNA 50 ng、9.8 μL ddH2O。PCR擴(kuò)增條件為95℃預(yù)變性3 min; 95℃變性30 s, 50℃退火30 s, 72℃延伸30 s, 擴(kuò)增35個(gè)循環(huán); 72℃延伸10 min。

利用毛細(xì)管電泳法對(duì)58份大豆種質(zhì)材料的PCR擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行基因型檢測(cè)。取100~200 ng的PCR產(chǎn)物放入96孔板中, 加入50 μL無水乙醇, 震蕩混勻, 4℃, 3000 ×離心30 min, 棄上清液; 加入70 μL預(yù)冷的(-20℃) 70%乙醇, 震蕩混勻, 4℃, 2000 ×離心15 min, 棄上清液; 室溫避光放置10~20 min; 加入10 μL Hi-Pi甲酰胺(混有0.3% ROX內(nèi)標(biāo)), 震蕩混勻, 95℃, 變性5 min; 冰浴5 min, 1000 ×瞬時(shí)離心后利用ABI 3730XL測(cè)序儀進(jìn)行毛細(xì)管電泳。

1.4 大豆脂肪和脂肪酸組分含量測(cè)定

1.4.1 大豆脂肪含量檢測(cè) 采用傅里葉近紅外光譜分析儀(MATRIX-1, Bruker, 德國)掃描樣品, 每個(gè)樣品掃描3次, 利用OPUS 5.0軟件對(duì)大豆種質(zhì)的脂肪含量進(jìn)行預(yù)測(cè), 取3次檢測(cè)結(jié)果的平均值為脂肪含量。

1.4.2 大豆脂肪酸提取 采用加熱甲酯化法提取脂肪酸, 每份大豆種質(zhì)取20粒種子, 用磨樣機(jī)(Retsch ZM100,= 1.0 mm, Rheinische, 德國)磨成細(xì)粉, 準(zhǔn)確稱取150.0 mg豆粉于10.0 mL試管中, 加入5.0 mL正己烷, 60℃浸提20 min; 然后加入5.0 mL 0.5 mol L-1甲醇鈉溶液, 充分搖勻10 min, 使其充分甲酯化, 靜置, 取上清液置色譜專用樣品瓶中檢測(cè)[14]。

1.4.3 大豆脂肪酸氣相色譜檢測(cè)條件 采用島津GC-2010氣相色譜儀對(duì)大豆脂肪酸含量進(jìn)行定性定量檢測(cè)。用色譜柱RTX-Wax (30 m × 0.25 m × 0.25 m); 自動(dòng)注射l μL; 分流比40∶1; 注入口溫度250℃, 載氣氮?dú)?4 mL min-1, 氫氣40 mL min-1, 空氣400 mL min-1, 采用程序升溫模式(180℃保持1.5 min, 以10℃ min-1升到210℃, 保持2 min, 然后以5℃ min-1升到220℃, 保持5 min)。檢測(cè)器FID溫度為300℃; 采用面積歸一化法計(jì)算5種主要脂肪酸(棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸和亞麻酸)的百分比作為大豆脂肪酸組分含量[15]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2007和SAS 9.2軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與方差分析。利用PowerMarker V3.25軟件進(jìn)行標(biāo)記的遺傳多樣性和系統(tǒng)進(jìn)化樹分析。使用Mcquitty方法[16]對(duì)脂肪酸含量進(jìn)行聚類和主成分分析等。

2 結(jié)果與分析

2.1 58份不同類型大豆種質(zhì)脂肪和脂肪酸組成特點(diǎn)

58份不同類型大豆種質(zhì)的脂肪和脂肪酸組分含量存在顯著差異。由表2可知, 大豆種質(zhì)脂肪含量的變異系數(shù)高達(dá)34.64%, 其中, 栽培大豆品種合豐50的脂肪含量最高(24.71%), 野生大豆ZYD01694的脂肪含量最低(6.97%); 5種脂肪酸組分含量的變異系數(shù)也各不相同(8.59%~42.82%), 其中亞麻酸的變異系數(shù)最大(42.82%), 野生大豆BY019的亞麻酸含量最高(15.97%), 栽培品種合豐50含量最低(3.45%); 油酸的變異系數(shù)次之(38.16%), 其中野生大豆ZYD3263油酸含量最低(11.00%), 半野生大豆ZYD0001油酸含量最高(39.61%)?？傮w上看, 飽和脂肪酸含量的變異系數(shù)為10.23%, 不飽和脂肪酸含量的變異系數(shù)為2%, 由此可見, 大豆種子中飽和、不飽和脂肪酸比例是相對(duì)比較穩(wěn)定。對(duì)58份大豆資源材料的油脂特征頻率分布分析發(fā)現(xiàn), 脂肪含量和脂肪酸組分均呈現(xiàn)連續(xù)分布。盡管5種脂肪酸含量在58份材料中不是典型的正態(tài)分布, 但飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸含量卻呈現(xiàn)典型的正態(tài)分布(圖1)。

表2 58份大豆種質(zhì)的脂肪和脂肪酸組成含量變異分析

PA: palmitic acid; SA: stearic acid; OA: oleic acid; LA: linoleic acid; LNA: linolenic acid.

圖1 58份材料油脂性狀的頻率分布

縮寫同表2。Abbreviations are the same as those given in Table 2.

2.2 不同類型大豆種質(zhì)脂肪和脂肪酸組分的差異比較分析

按照形態(tài)學(xué)分類方法將58份不同類型大豆種質(zhì)分為野生、半野生和栽培大豆3種類型(表1)。通過對(duì)3種類型大豆種質(zhì)油脂組成的方差分析發(fā)現(xiàn), 野生大豆的脂肪含量和脂肪酸組分與栽培大豆均存在顯著差異, 與半野生大豆除硬脂酸外也均存在顯著差異。野生大豆脂肪含量(平均10.49%)顯著低于栽培大豆(平均20.8%), 半野生大豆位于二者之間(平均15.71%); 野生大豆不飽和脂肪酸含量(平均82.71%)顯著低于栽培大豆(平均84.7%), 而飽和脂肪酸含量(平均17.29%)顯著高于栽培大豆(平均15.3%)。半野生大豆飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸含量均與野生大豆差異不顯著。野生大豆的油酸含量(平均14.37%)顯著低于栽培大豆(平均28.5%), 其他脂肪酸組分含量高于栽培大豆。野生大豆亞麻酸含量(平均11.38%)顯著高于栽培大豆(平均4.97%), 而半野生大豆同樣位于二者之間(平均7.64%)。因此, 脂肪和亞麻酸含量在不同類型大豆中差異顯著(圖2)。

2.3 大豆種質(zhì)的脂肪含量和脂肪酸組分相關(guān)性分析

由圖3可知, 大豆種子中的脂肪含量與油酸含量存在極顯著的正相關(guān)(= 0.85**), 而與其他脂肪酸組分存在極顯著負(fù)相關(guān), 特別是與亞麻酸含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(=-0.92**)。油酸與所有其他脂肪酸組分均存在負(fù)相關(guān), 特別是與亞麻酸、亞油酸呈極顯著負(fù)相關(guān)(=-0.90**和-0.89**); 而亞麻酸除了與油酸含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(=-0.90**)外, 與其他組分均存在顯著正相關(guān)。另外, 2種飽和脂肪酸棕櫚酸和硬脂酸呈極顯著正相關(guān)(= 0.41**)。

圖2 基于形態(tài)學(xué)分類的野生、半野生和栽培大豆種質(zhì)的油脂組成的方差分析

圖中符號(hào)W、SW、C分別代表野生大豆()、半野生大豆()和栽培大豆()。標(biāo)以不同字母的柱值在0.05水平上差異顯著?？s寫同表2。

W, SW, and C represent wild soybean (), semi-wild soybean (), and cultivated soybean (), respectively. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level. Abbreviations are the same as those given in Table 2.

圖3 58份大豆種質(zhì)的脂肪含量和脂肪酸組分間的Pearson相關(guān)系數(shù)

*和**分別表示0.05和0.01水平差異顯著; 圖中圓圈越大, 表示相關(guān)性越強(qiáng), 圓圈越小, 表示相關(guān)性越弱?？s寫同表2。

*and**represent the significant level at the 0.05 and 0.01 probabi-lity levels, respectively. The larger the circle, the stronger the correlation, the smaller the circle, the weaker. Abbreviations are the same as those given in Table 2.

2.4 基于油脂組成參數(shù)的不同類型大豆種質(zhì)的聚類分析

以大豆種質(zhì)的脂肪含量和5種脂肪酸組分含量為參數(shù), 聚類分析(圖4)表明, 58份大豆種質(zhì)可分為3個(gè)亞群, 第1亞群僅由半野生大豆種質(zhì)SW5組成; 第2亞群主要由野生大豆種質(zhì)組成, 包含25個(gè)野生和2個(gè)半野生大豆種質(zhì), 第3亞群主要由栽培大豆種質(zhì)組成, 包含24個(gè)栽培、4個(gè)半野生和2個(gè)野生大豆種質(zhì)。野生大豆與栽培大豆明顯分成2個(gè)亞群, 說明2種類型的大豆種質(zhì)的油脂組成明顯不同, 同一類型大豆種質(zhì)的油脂組成分布規(guī)律較為統(tǒng)一, 不同類型大豆種質(zhì)間存在較大差異; 而半野生大豆無明顯的聚集群, 分布在野生和栽培大豆亞群中。

2.5 不同類型大豆種質(zhì)基于油脂組成的主成分分析

以大豆種質(zhì)的脂肪含量和5種脂肪酸組分含量為參數(shù), 對(duì)58份大豆種質(zhì)進(jìn)行主成分分析(圖5), 共提取解釋變異最高的前3個(gè)主成分因子, 可累計(jì)反映總變異的93%, 第一主成分(PC1)主要由油酸、亞麻酸和脂肪含量組成, 第二主成分(PC2)主要由硬脂酸和亞油酸組成, 第三主成分(PC3)主要由棕櫚酸組成, 3個(gè)主成分因子分別揭示總變異的65%、19.7%和8.5%。野生大豆和栽培大豆被分別聚集在2個(gè)亞群中, 半野生大豆則在2個(gè)亞群中均有分布。主成分分析與聚類分析結(jié)果基本一致, 58份大豆種質(zhì)中, 野生大豆與栽培大豆脂肪含量、脂肪酸含量差異較明顯, 半野生大豆則處在野生和栽培大豆之間, 無明顯油脂組成性狀的差異。

圖4 58份大豆種質(zhì)基于油脂組成的聚類分析

聚類結(jié)果中紅色分支代表野生大豆, 綠色分支代表半野生大豆, 藍(lán)色分支代表栽培大豆。

The red branches represent wild soybean, the green branches represent semi-wild soybean, and the blue branches represent cultivated soybean in the clustering results.

圖5 58份大豆種質(zhì)基于油脂組成的主成分分析

PC1~PC3代表基于脂肪和5種脂肪酸組成含量的前3個(gè)主成分。紅色圓點(diǎn)代表野生大豆, 綠色三角形代表半野生大豆, 藍(lán)色正方形代表栽培大豆。

PC1-PC3 represent the first three principal components based on the oil and five fatty acid contents. The red circles, green triangles, and blue squares represent wild, semi-wild, and cultivated soybean accessions, respectively.

2.6 基于SSR標(biāo)記的不同類型大豆種質(zhì)的遺傳多樣性分析

利用32對(duì)SSR引物對(duì)大豆種質(zhì)進(jìn)行遺傳多樣性分析。由表3可知, 32對(duì)SSR引物在58份大豆種質(zhì)中共擴(kuò)增出等位基因368個(gè), 平均每對(duì)引物擴(kuò)增出11.5個(gè)等位基因, 等位基因數(shù)目變異系數(shù)為5~18個(gè), 引物Satt 390僅擴(kuò)增出5個(gè)等位基因, 引物Satt 281和Satt 590分別擴(kuò)增出多達(dá)18個(gè)等位基因。

遺傳多樣性代表生物種群之內(nèi)和種群之間遺傳結(jié)構(gòu)變異程度。基因多樣度和多態(tài)性信息含量(PIC)是常用來表示種群的遺傳多樣性的指標(biāo), 本研究結(jié)果表明, 基因多樣性平均值為0.80, 各引物基因多樣性值變異系數(shù)為0.61~0.91, 其中引物Satt 590基因多樣性最高, 引物Satt 281次之, 引物Satt 442最低。PIC值與基因多樣性呈現(xiàn)的結(jié)果較為一致, 其平均值為0.78, 變異系數(shù)為0.53~0.90, 引物Satt 590與Satt 281的PIC值最大, 均為0.90, 引物Satt 442的PIC值最低(0.53)。

(續(xù)表3)

引物Primer連鎖群Linkage group染色體Chr.等位基因數(shù)目Allele number基因多樣性Gene diversity多態(tài)性信息含量PIC Satt 586F13110.830.81 Satt 309G1860.730.69 Satt 442H1280.610.53 Satt 239I20120.870.85 Satt 571I2080.790.76 Sct 189I20120.830.81 Satt 431J16150.890.89 Satt 596J16100.860.84 Satt 242K9110.870.86 Satt 588K9110.800.78 Satt 373L19120.800.79 Satt 308M7130.850.84 Satt 346M790.730.69 Satt 590M7180.910.90 Satt 530N3120.820.80 平均Mean——11.50.800.78

2.7 基于SSR標(biāo)記的不同類型大豆種質(zhì)的聚類分析

基于Nei (1983)氏距離, 采用鄰位相連算法(Neighbor-Joining tree, NJ)[17]對(duì)58份大豆種質(zhì)進(jìn)行聚類分析。由圖6可以看出, 58份大豆種質(zhì)可明顯分為兩大亞群, 第一亞群(CI)主要由野生大豆組成, 包含23份野生和5份半野生大豆; 第二亞群(CII)主要由栽培大豆組成, 包含24份栽培、2份半野生和4份野生大豆; 半野生大豆分布于兩大亞群之中, 表明利用32對(duì)SSR標(biāo)記, 可以大致區(qū)分栽培大豆和野生大豆類群, 但不能準(zhǔn)確區(qū)分半野生大豆類群。第一亞群中的G1類群(全部為野生大豆類型)與第二亞群中的G2類群(全部為栽培大豆類型)遺傳距離最遠(yuǎn), 表明這2個(gè)類群的大豆親緣關(guān)系較遠(yuǎn), 可作為典型的野生和栽培大豆類型。本研究從這2個(gè)典型類群中發(fā)現(xiàn)了14個(gè)特異性標(biāo)記, 分別為Satt 236、Satt 346、Satt 586、Satt 409、Satt 300、Satt 596、Satt 308、Satt 590、Satt 286、Sct_189、Satt 556、Satt 530、Satt 242和Satt 431。

2.8 基于SSR標(biāo)記的不同類型大豆種質(zhì)的主成分分析

基于32對(duì)SSR標(biāo)記對(duì)58份大豆種質(zhì)進(jìn)行主成分分析發(fā)現(xiàn), 前3個(gè)解釋變異最高的主成分因子PC1a、PC2a、PC3a分別揭示總變異的17.83%、9.42%和7.76% (此處PC1a~PC3a代表不同SSR標(biāo)記組合所構(gòu)成的主成分因子)。由圖7可以看出, 58份不同類型的大豆種質(zhì)可明顯分為2個(gè)亞群, 野生大豆和半野生大豆聚集在一個(gè)亞群中, 栽培大豆聚集在另外一個(gè)亞群, 其中有少量野生大豆。主成分與聚類分析結(jié)果均表明, 58份大豆種質(zhì)中, 野生大豆與栽培大豆親緣關(guān)系較遠(yuǎn), 而半野生大豆與兩者均存在一定的親緣關(guān)系。

2.9 基于SSR標(biāo)記分類的典型野生和栽培大豆種質(zhì)的油脂組成特點(diǎn)

SSR標(biāo)記遺傳分類結(jié)果(圖6)及典型野生大豆(9份)和栽培大豆(12份)脂肪含量和脂肪酸組成含量的方差分析(圖8)顯示, 野生大豆脂肪含量(平均9.02%)極顯著低于栽培大豆(平均21.6%); 野生大豆油酸含量(平均12.1%)顯著低于栽培大豆(平均29.07%), 其他脂肪酸組分野生大豆均高于栽培大豆, 特別是野生大豆的亞麻酸含量(平均12.26%)顯著高于栽培大豆(平均4.71%); 野生大豆飽和脂肪酸含量高于栽培大豆, 不飽和脂肪酸正相反。這與基于形態(tài)學(xué)區(qū)分的野生和栽培大豆種質(zhì)的油脂組成規(guī)律基本一致。

圖6 基于SSR標(biāo)記的大豆種質(zhì)的NJ聚類圖

圖中紅色、綠色和藍(lán)色分支分別代表野生、半野生和栽培大豆; CI和CII表示2個(gè)主要亞群, G1和G2分別表示聚類結(jié)果中的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)且形態(tài)差異明顯的典型野生大豆()和栽培大豆()。

The red, green, and blue branches represent the wild, semi-wild, and cultivated soybean accessions, respectively; CI and CII indicate two major subgroups, G1 and G2 represent typical wild soybean () and cultivated soybean () with distant genetic relationships and obvious morphological differences in clustering results.

3 討論

3.1 野生大豆和栽培大豆的油脂組成存在顯著差異

大豆起源于中國, 早在5000年前野生大豆()就被馴化為栽培大豆()[12], 二者存在緊密的親緣關(guān)系, 但油脂組成特點(diǎn)不同。徐豹等[18]分析了中國1595份野生大豆的脂肪含量, 平均為9.94%, 低于栽培大豆(平均19.05%)。王連錚等[19]針對(duì)東北地區(qū)收集的大量野生大豆資源分析了野生大豆和栽培大豆的脂肪酸組成差異, 發(fā)現(xiàn)野生大豆的油酸含量(平均15.58%)低于栽培大豆(平均28.86%), 亞麻酸含量(平均18.69%)高于栽培大豆(平均7.35%)。本研究針對(duì)分子數(shù)據(jù)分類的典型野生大豆的平均脂肪含量為9.02%, 典型的栽培大豆的平均脂肪含量為21.61%; 野生大豆油酸含量(12.10%)同樣低于栽培大豆(29.08%), 亞麻酸含量(12.26%)同樣高于栽培大豆(4.71%), 表明野生大豆和栽培大豆的油脂組成存在顯著差異, 這與前人的大樣本研究結(jié)果吻合。

3.2 通過分子標(biāo)記方法可以對(duì)野生和栽培大豆種質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確分類

大豆屬種間遺傳關(guān)系的研究有多種方法, 利用形態(tài)學(xué)特征區(qū)分大豆不同類型最為常用。然而, 大豆形態(tài)學(xué)特征易受環(huán)境條件影響, 不能準(zhǔn)確用于判定種質(zhì)材料的種屬關(guān)系[20]。本研究利用大豆形態(tài)學(xué)特征、品質(zhì)特性及種間分子親緣關(guān)系, 對(duì)58份大豆種質(zhì)進(jìn)行了種屬分類, 并鑒定種質(zhì)間的進(jìn)化關(guān)系, 獲得了9份典型野生大豆和12份典型栽培大豆類型, 針對(duì)2種類型的大豆種質(zhì)篩選出了特異性標(biāo)記和特征條帶。趙洪餛等[21]研究表明BARC-sat39標(biāo)記在野生大豆和栽培大豆之間有特異譜帶, 推斷該SSR標(biāo)記是栽培大豆和野生大豆有關(guān)的一個(gè)等位基因點(diǎn)。本研究篩選出的14個(gè)野生大豆和栽培大豆的特異性SSR標(biāo)記, 未見相關(guān)報(bào)道, 可能是新的特異標(biāo)記, 下一步將在包含栽培和野生大豆群體的更大范圍內(nèi)進(jìn)一步驗(yàn)證其有效性。

圖7 58份大豆材料基于32對(duì)SSR遺傳標(biāo)記的主成分分析

PC1a~PC3a代表基于32對(duì)SSR引物的前3個(gè)主成分因子。紅色圓點(diǎn)代表野生大豆, 綠色三角形代表半野生大豆, 藍(lán)色正方形代表栽培大豆。

PC1a-PC3a represent the first three principal components based on the 32 pairs of SSR markers. The red circle, green triangle, and blue square represent wild, semi-wild and cultivated soybean accessions, respectively.

3.3 大豆油脂組成特點(diǎn)與大豆的馴化與分類有關(guān)

栽培大豆是野生大豆在栽培條件下通過人工定向選擇而來[22], 半野生豆是野生大豆和栽培大豆中間的過渡類型[23]。本文利用分子標(biāo)記方法結(jié)合大豆形態(tài)學(xué)特征對(duì)58份大豆種質(zhì)進(jìn)行聚類分析和主成分分析, 發(fā)現(xiàn)野生大豆與栽培大豆可以明顯分為2個(gè)亞群, 而半野生大豆則同時(shí)分布于2個(gè)亞群, 這可能是本研究選取的分子標(biāo)記數(shù)目較少, 不能完全區(qū)分野生和半野生大豆, 也可能是半野生大豆無論親緣關(guān)系還是油脂組成特征均居于栽培大豆和野生大豆之間。

方差分析表明, 大豆從野生大豆到栽培大豆的演化過程中, 脂肪含量顯著增加; 在脂肪酸組成上, 主要趨勢(shì)是油酸含量大幅增加, 亞油酸和亞麻酸含量顯著降低。食用過多的飽和脂肪酸不利于人體健康, 而不飽和脂肪酸有益于心血管疾病的預(yù)防[24], 同時(shí)由于多不飽和脂肪酸亞麻酸容易被氧化造成豆油的保存期縮短, 因此提高油酸含量可以保證大豆油健康品質(zhì), 是大豆品質(zhì)育種的主要研究方向。由此推測(cè), 栽培大豆從野生的演化過程中, 脂肪含量和脂肪酸組成可能受到了人工選擇。近年來對(duì)302份野生和栽培大豆的重測(cè)序分析也表明, 控制油脂合成的多個(gè)重要位點(diǎn)和基因(等)均受到了顯著的選擇[12], 這些位點(diǎn)和基因在馴化過程中的定向選擇可能是大豆油脂組成演化的重要遺傳基礎(chǔ)。同時(shí), 發(fā)掘這些重要基因的優(yōu)異等位變異, 并結(jié)合常規(guī)育種技術(shù)、分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)、以及轉(zhuǎn)基因技術(shù)將這些基因的優(yōu)異等位變異聚合是進(jìn)一步優(yōu)化大豆油脂組成的有效途徑。

圖8 基于遺傳距離分析結(jié)果對(duì)野生和栽培大豆種質(zhì)油脂組成的方差分析

W、C分別代表野生大豆()和栽培大豆(); 標(biāo)以不同字母的柱值在0.05水平上差異顯著?？s寫同表2。

W and C represent wild soybean () and cultivated soybean (), respectively. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level. Abbreviations are the same as those given in Table 2.

α-亞麻酸是2種重要n-3長(zhǎng)鏈脂肪酸EPA和DHA的合成前體, 這2種脂肪酸在大腦發(fā)育、心血管健康以及炎癥反應(yīng)中具有重要的作用[25], 而野生大豆中的亞麻酸含量高達(dá)15%以上, 因此, 在大豆品質(zhì)育種中可以利用野生大豆資源, 通過雜交組配, 提高栽培大豆中的亞麻酸含量, 用于專用營(yíng)養(yǎng)大豆品種的選育。

3.4 脂肪含量和亞麻酸含量可以作為野生和栽培大豆進(jìn)化分類的參考指標(biāo)

莊無忌等[1]、呂景良等[2]和徐豹等[18]研究發(fā)現(xiàn)亞麻酸含量在栽培和野生大豆間存在顯著差異, 并提出了將亞麻酸含量作為大豆種或類型鑒定的一個(gè)參考指標(biāo)。本文從油脂特征和親緣關(guān)系2個(gè)方面對(duì)58份大豆種質(zhì)聚類分析和主成分分析顯示, 野生大豆與栽培大豆被分別聚集在2個(gè)亞群內(nèi), 半野生大豆則在2個(gè)聚集群內(nèi)均有分布; 其中, 51份(88%)大豆種質(zhì)基于油脂性狀聚類結(jié)果與基于分子親緣關(guān)系的聚類結(jié)果一致, 說明從野生大豆到栽培大豆的演化過程中油脂組成發(fā)生了顯著的改變, 特別是, 脂肪含量和亞麻酸含量在不同類型大豆種質(zhì)中差異十分顯著, 而且隨著演化程度的提高而呈規(guī)律性的變化, 因此可將其作為大豆演化與分類研究的參考指標(biāo)。

4 結(jié)論

大豆油脂組成與大豆種質(zhì)的馴化程度有關(guān), 栽培大豆脂肪含量及油酸含量均顯著高于野生大豆, 而亞麻酸含量顯著低于野生大豆。依據(jù)油脂組成和分子標(biāo)記作為分類參數(shù)的聚類結(jié)果基本一致, 野生和栽培大豆明顯分為2個(gè)亞群, 而半野生大豆分布在2個(gè)亞群中。栽培和野生大豆的脂肪含量和亞麻酸含量存在明顯分布規(guī)律, 可以作為大豆演化分類的參考指標(biāo)。

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Characteristics of oil components and its relationship with domestication of oil components in wild and cultivated soybean accessions

CHEN Ying**, ZHANG Sheng-Rui**, WANG Lan, WANG Lian-Zheng, LI Bin*, and SUN Jun-Ming*

Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences / National Engineering Laboratory for Crop Molecular Breeding / Key Laboratory of Soybean Biology, the Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081, China

In this study, 58 soybean accessions composed of wild, semi-wild and cultivated soybean were used to analyze the oil and fatty acid contents by the NIRs and GC methods. Their genetic diversity and domestication were also analyzed based on 32 pairs of SSR markers. There was a significant difference in oil content and fatty acid compositions between wild and cultivated soybeans. The oil content of cultivated soybean (an average of 20.8%) was significantly higher than that of wild soybean (an average of 10.49%). As regards fatty acid compositions, the content of oleic acid in cultivated soybean (an average of 28.5%) was significantly higher than that of wild soybean (an average of 14.37%), on the contrary, the content of linolenic acid was lower. In cultivated soybean, the oil content positively correlated with oleic acid content (= 0.85**), and negatively correlated with other fatty acids. Moreover, the oleic acid content had a negative correlation with all other fatty acids, especially, with linoleic acid (=-0.90**) and linolenic acid (=-0.89**). Similar clustering results were observed in the clustering and principal component analysis based on oil compositions and SSR molecular markers showing that the soybean accessions were clustered into two main subgroups of wild and cultivated soybean, and semi-wild soybean distributed into both subgroups. Therefore, we suggest that contents of oil and fatty acid compositions are related with the domestication level in soybean, and may be used as a reference index for the evolutionary classification in soybean.

;;; oil content; fatty acid components

2018-08-24;

2019-01-19;

2019-03-11.

10.3724/SP.J.1006.2019.84114

李斌, E-mail: libin02@caas.cn; 孫君明, E-mail: sunjunming@caas.cn

**同等貢獻(xiàn)(Contributed equally to this work)

E-mail: 623882855@qq.com

本研究由國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0100201), 北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(Z16110000916005)和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目資助。

This study was supported by the National of Research and Development Program of China (2016YFD0100201), the Beijing Science and Technology Project (Z16110000916005), and the Innovation Project of Chinese Academy of Agricultural Sciences.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190308.1044.006.html