北美大豆的育種現(xiàn)狀分析

1.大豆遺傳資源的收集及評價

美國農(nóng)業(yè)部（USDA）科研人員先后舉行兩次大規(guī)模調(diào)查。Dorsett于1924~1926年在中國東北部收集1500份大豆資源，并送回美國。此后，Dorseet和Morse又于1929~1931年從中國、日本和朝鮮半島收集約4500份資源。現(xiàn)在，美國農(nóng)業(yè)部設在伊利諾伊大學香檳分校的大豆遺傳資源基因庫，保存有19000多份大豆種質(zhì)資源。另外，作為美國大豆遺傳資源的長期保存庫，同樣的資源還保存在美國馬里蘭州的貝爾茨維爾和密西西比州的斯通威爾。上述基因庫保存并續(xù)繁了極為寶貴的種質(zhì)材料，并對保存種質(zhì)的形質(zhì)性狀進行系統(tǒng)評價，為世界大豆育種研究作出重要貢獻。位于加拿大中南部城市薩斯卡通的加拿大農(nóng)業(yè)部基因庫，僅保存極少量的大豆種質(zhì)資源，大部分加拿大育種家的育種研究，都要依賴于美國收集的資源。隨著人類有目的選拔活動的不斷深入，在野生大豆的進化演變過程中，大豆遺傳變異基礎愈加狹窄，遺傳多樣性也異常低下。其主要原因是野生種有的最低堿基序列多樣性，隨著作物化的演變進程被減半，稀少的等位基因81%被遺失，遺失基因的60%是具有顯著變化特性的等位基因。

2.北美普通大豆的遺傳改良育種

在北美通常認為，新開發(fā)品種對大豆增產(chǎn)的貢獻率最大，每公頃年增產(chǎn)幅度大約在23kg[13]。在過去70多年時間里，北美大豆育種家們主要致力于提高大豆產(chǎn)量、品質(zhì)以及病蟲抗性、倒伏抗性等研究。在大豆廣適性品種開發(fā)方面，也由美國北部擴大到加拿大南部等高緯度地區(qū)。有關(guān)作物改良的研究，1985年前，主要由公立研究機構(gòu)主導。此后，美國私立研究機構(gòu)已取代公立機構(gòu)，主導大豆新品種的開發(fā)研究。尤其是最近40多年來，私立研究機構(gòu)的貢獻率正呈逐年提高的趨勢。在美國中部和南部地區(qū)，育種家們多利用淡季閑置下來的保護地苗圃等作為加代繁殖的場所，來加快選育進程。所采用的育種方法多為系譜法、單粒傳法、回交選育法或者混合改良法等。近年來，隨著計算機網(wǎng)絡化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件的廣泛應用與開發(fā)，多變量解析等復雜遺傳變異的研究，使北美育種家的育種程序向著簡便化發(fā)展，使效率化育種成為可能[14]。它將成為比通過實際的試驗交配來評價雜交親本配合力更有效地選擇方法之一。為了促進大豆基因重組，獲得更大的遺傳變異，北美的少數(shù)幾個研究小組，在雄性不育、雙親交配、循環(huán)選拔等方面進行有效嘗試，并獲得一定程度的成功。近年來，極少數(shù)研究小組進行了F1雜交大豆的開發(fā)應用、復合品種及多系品種的培育嘗試[13]。過去幾十年，來自中國北部的大豆遺傳資源，對美國北部和加拿大的品種選育及開發(fā)作出較大貢獻，而引自中國南部的大豆遺傳資源，已成為美國南部育成品種的祖先[14]。根據(jù)Cui等近緣系譜分析，北美食品加工用大豆品種的遺傳基礎與同地域栽培的加工用品種存在差異，其遺傳多樣性更為豐富[15]。Martin等對北美大豆產(chǎn)量遺傳貢獻的眾多調(diào)查結(jié)果表明，即便是產(chǎn)量最高的農(nóng)家品種，距離理論上的選擇極限仍有差距[16]。選擇極限就意味著再無可利用的遺傳變異，對北美大豆育種家來說，這種威脅正越來越近。因此，努力擴大遺傳資源基礎對大豆育種是至關(guān)重要的。

3.加工專用型大豆新品種的選育

在北美洲，特殊用途的大豆，通常指可用來制作豆腐、納豆、豆乳、豆醬等某些專用品種，以及黑大豆、菜用大豆（亦稱毛豆）等。此外還有蛋白質(zhì)加工用豆，部分的油分加工用豆，有機大豆以及加工功能性食品用等能夠滿足特殊市場需求的大豆類型。通常它們的產(chǎn)量及其他綜合農(nóng)藝性狀都比已推廣的高產(chǎn)大豆品種略差[15]。豆腐用品種，當初是以蛋白質(zhì)含量高、百粒重大為育種目標進行開發(fā)的。百粒重一般在22~25g，蛋白質(zhì)含量為44%~48%。美國Vinton大豆品種就是為滿足豆腐加工市場需求而開發(fā)的第一代豆腐專用品種群的品種之一。到1991年，加拿大農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)食品部研究所開發(fā)的Harovinton推廣普及，成為后來育成的高品質(zhì)品種群的先驅(qū)[17]。大豆蛋白質(zhì)含量的高低及組分的構(gòu)成，是決定豆腐出率及品質(zhì)的重要因素。豆腐常用的亞基品種多為球蛋白組分Ⅱa亞基缺失的品種，即A5A4B3亞基缺失型品種。Poysa等研究表明，使用7S球蛋白的α-亞基和11S組分的Ⅱa亞基雙缺失，且11S組分的Ⅰ及Ⅱb亞基含量高的大豆基因型品種，可以做出硬而富有彈性的高品質(zhì)豆腐[18-19]。在北美，有關(guān)豆腐用品種的開發(fā)研究，僅局限于極少數(shù)的公立大學及研究機構(gòu)。在研究內(nèi)容方面，北美育種家多以各種蛋白質(zhì)亞基缺失的品種開發(fā)為主。在北美最初育成的納豆用品種，為加拿大農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)食品部AAFC（AgricultureandAgri-FoodCanada）研究所Harvey指導下育成的品種，和弗吉尼亞工科大學GlenBuss開發(fā)的品種。Cober和Voldeng研究認為，小粒種育種應用集團選拔育種法，可以有效減少配制的集團組合的數(shù)量，降低工作量[20]。脂肪酸組成改良方面，北美Hammond和Fehr利用EMS（Ethylmethanesulfonate）誘變處理，育成低亞麻酸含量（≤4.1%）品種[21-22]；Wilcox和Caviness通過對Century進行EMS處理，育成亞麻酸含量3.5%以下品種[23]?，F(xiàn)在，北美推廣的低亞麻酸含量的大豆品種，是已知的3個fan基因中的兩個發(fā)生突變的結(jié)果，亞麻酸含量可降到2.5%~3%，若3個fan基因均發(fā)生突變，亞麻酸含量可降到1%[24]。目前，有關(guān)將油酸轉(zhuǎn)化為亞麻酸的3個fan基因（GmFAD3A、GmFAD3B、GmFAD3C）的分子突變解析已經(jīng)完成[25]。美國從2006年1月開始，出臺了“加工食品有義務標注反式脂肪酸含量”法規(guī)，食品廠家為使其產(chǎn)品的反式脂肪酸含量接近，低亞麻酸大豆品種變得備受歡迎，助推研究機構(gòu)開發(fā)超低亞麻酸含量大豆品種的積極性?，F(xiàn)在，先鋒公司注冊的Treus、孟山都公司注冊的Vistive商標，開始低亞麻酸大豆的商業(yè)化生產(chǎn)。據(jù)Pham等研究，至2009年，油酸含量≥80%、并獲專利保護的大豆新品系已經(jīng)開發(fā)成功[26-27]。育種家還致力于提高異黃酮、維生素E、葉黃素等功能性成分含量及降低植酸、過敏原蛋白含量等的改良[28-33]。

4.F1大豆雜交種育種的選育

大豆F1雜交種育種研究方面，與自花授粉的水稻一樣，大豆也開展通過培育雜交種提高大豆產(chǎn)量的探索[34]，研究認為雜交大豆產(chǎn)量若能比常規(guī)高產(chǎn)品種增產(chǎn)10%~20%，雜交大豆的推廣應用價值就會被認可。但是，由于受授粉機制的制約，大豆F1雜交種的規(guī)?；a(chǎn)還存在一定難度，已育成的品種也因為在制種規(guī)模及成本等方面的障礙而無法得到大面積推廣應用。在近幾年，隨著質(zhì)-核雄性不育系的逐漸改良，大豆F1雜交種的規(guī)?；?、低成本制種將有助于F1大豆雜交種的快速推廣[34]。

5.分子標記在抗逆育種、基因挖掘、純度鑒定等方面的應用

MAS分子標記輔助選擇育種在大豆抗病新品種選育上的應用，已被證明是極為有效地選擇方法[11]。它在大豆抗孢囊線蟲（SCN，Soybeancystnematobe）育種上的應用，已有較多成功的先例。在大豆莖疫病、落葉病等抗病育種選拔上，也取得顯著效果。據(jù)最新報道，杜邦公司應用MAS技術(shù)，在大豆銹病、斑點病以及蚜蟲抗性育種方面取得成功。孟山都公司通過現(xiàn)代生物技術(shù)與傳統(tǒng)育種技術(shù)的集成，在大豆遺傳資源選拔上，從過去的百萬分之一提高到五分之一，選拔效率發(fā)生巨變。最近，美國愛荷華州立大學聯(lián)合美國農(nóng)業(yè)部對大豆轉(zhuǎn)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變得容易起來[35]。由于MAS不受害蟲與植物互作影響，鑒定結(jié)果具有一貫穩(wěn)定的可靠性，而且，在分子水平上可為品種純度及真?zhèn)涡澡b定提供便捷、可靠的檢測手段，因而具有很高的利用價值。

6.轉(zhuǎn)基因大豆育種

1996年至今，已開發(fā)出1000多個草甘膦耐性的GMS品系[36]。目前，所有的草甘膦耐性GMS，均來自擁有CP4EPSP合成酶基因源系統(tǒng)的“40-3-2”。但是，隨之而來的耐草甘膦除草劑的超級雜草也相伴而生。近年在北美出現(xiàn)的草甘膦耐性雜草，已成為影響北美大豆生產(chǎn)一個不可回避的因素[37]。2009年后，孟山都公司新開發(fā)的第2代草甘膦耐性品種RoundReady2Yield（RR2Y），與第一代相比，導入基因相同，但是插入基因組內(nèi)的位點不同，而且具有同等的草甘膦抗性。由于其豐產(chǎn)性較好，大有取而代之的趨勢[37]。MON98788GMS品種就是以農(nóng)桿菌為載體，將目標基因插入到分裂組織而獲得的GMO（Geneticallymodifiedorganisms）。據(jù)孟山都公司研究，此基因的插入，在提高產(chǎn)量及優(yōu)異形質(zhì)導入平臺的構(gòu)筑等方面，比最初品種群能發(fā)揮更大的作用[37]。拜耳公司在2009年也將RR2Y技術(shù)導入到有草胺膦耐性LibertyLink系列品種中。大豆品系A2704-12，A2704-21及A5547-35，是通過基因槍轟擊，將包含CaMW35S啟動子序列和一段受終止序列調(diào)控后改變的pat基因的pUC19基礎質(zhì)粒，導入受體細胞育成的。編碼草胺瞵-N-?；D(zhuǎn)移酶的pat基因是從好氣性土壤放線菌分離出來的綠色鏈霉菌克隆的，是它賦予植物耐草胺膦的特性[37]。另據(jù)先鋒良種國際有限公司的報道，不久的將來，兼耐草甘膦和ALS（乙酰乳酸合成酶）抑制性除草劑的OptimumGAT性狀將導入到大豆中。這項技術(shù)是利用基因槍將兩個耐不同類型除草劑的新基因，同時導入到一個大豆品種去。它包含的兩個基因，一個是可以賦予植物草甘膦耐性的基因gat4601，另一個是編碼不受阻礙乳酸乙酰合成酶（ALS）除草劑（咪唑啉酮系）影響的、可改變ALS酶的gm-hra基因[37]?？梢灶A見此品種會在繼RR2Y、LibertyLink品種推出后，成為又一個備受注目的新品種。這些頗具競爭力的技術(shù)所占的市場份額，將由除草劑使用的容易程度，防除雜草的廣譜性、有效性、豐產(chǎn)性、害蟲耐性等綜合農(nóng)藝性狀以及遺傳背景決定。這些技術(shù)與原技術(shù)的差異，在于它可為GMS帶來新的雜草管理模式。其他GMO形質(zhì)，也都處于市場開發(fā)或法律程序申請等階段。其中，離GMO市場化最近的將可能是先鋒公司正在開發(fā)或處于規(guī)制申請階段的高油酸含量（>80%）的大豆品系。這種GMS的推出是由于將單拷貝的外源cDNA基因GmFad2-1導入受體，抑制發(fā)育中大豆種子內(nèi)源GmFad2-1（編碼油酰磷脂酰膽堿ω-6脫氫酶）基因表達，從而顯著提高油酸含量，改善大豆油脂肪酸組成[38]。

北美大豆育種展望及我國大豆生產(chǎn)和育種科研的思考

1.北美大豆育種展望

北美大豆總產(chǎn)量占世界大豆總產(chǎn)的份額雖然在減少，但隨著大豆在食品、油、飼料以及工業(yè)原料等領(lǐng)域用途不斷擴大，將會更進一步激活北美大豆產(chǎn)業(yè)。在改良大豆品質(zhì)、增加其附加值基礎上，提高大豆產(chǎn)量仍將是北美乃至世界各國大豆育種家們最重要的育種目標。前述的GMS品種多以除草劑耐性或某一種子成分含量等單一形質(zhì)的改變?yōu)橹?，隨著GMO技術(shù)的日漸成熟，能同時改良2種或2種以上形質(zhì)的新品種的育成，將成為新GMO育種目標。例如，孟山都公司計劃到2030年前，將實現(xiàn)RoundupReady大豆品種產(chǎn)量比2000年提高1倍[39]。如何突破F1大豆雜交種制種瓶頸，提高其雜種優(yōu)勢，仍將是吸引大豆育種家致力研究的課題之一。在大豆品質(zhì)改良方面，為了能夠使大豆油分、蛋白質(zhì)及功能性營養(yǎng)成分等的組成、含量有較大改善。美國大豆基金會2002年專門編制“好大豆品種計劃”（BBI，Betterbeaninitiative），并成立一個成果轉(zhuǎn)化利用中心，其目的就是應對廣大消費者的需求，在不影響大豆產(chǎn)量和栽培特性的基礎上，進一步提高大豆油和蛋白的品質(zhì)，以提高其附加值，制定分析標準及分析技術(shù)，解明影響大豆品質(zhì)的潛在因素。隨著大豆基因組解析的深入研究，SSR、SNP等分子標記的進化及產(chǎn)量限制因素分子機制的解明，在大豆病蟲害的抗性育種、高產(chǎn)育種等領(lǐng)域，發(fā)生根本性的變革是值得期待的。

2.我國大豆生產(chǎn)和育種科研的思考

從北美大豆的歷史發(fā)展沿革、生產(chǎn)銷售以及北美大豆育種的形勢來看，北美大豆的耕種史，雖然遠不及我國歷史久遠。但是，它們在經(jīng)歷二戰(zhàn)及之后的40多年的發(fā)展后，在總產(chǎn)和單產(chǎn)各方面發(fā)生質(zhì)的飛躍。而我國同期的大豆總產(chǎn)僅為美國的1/6，單產(chǎn)也僅為美國的3/5，即便如此，我國仍然是大豆凈出口國。但是，自1996年后，隨著美國GMS的不斷擴張及出口份額的急劇上升，我國已由原來的純出口國急轉(zhuǎn)為凈進口國。我國大豆的發(fā)展，由此呈現(xiàn)出一種“國內(nèi)消費高度供不應求，國內(nèi)生產(chǎn)供過于求”的現(xiàn)象。就大豆育種工作者而言，應具備超前的思維理念，制定的育種目標，既應該考慮產(chǎn)業(yè)鏈上游的生產(chǎn)者對品種高產(chǎn)、抗病等農(nóng)藝性狀的需求，又能反映產(chǎn)業(yè)鏈下游的加工企業(yè)，特別是要注重與我國大豆深加工企業(yè)溝通，及時了解企業(yè)對加工用大豆品種性狀的需求，高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗育種的基礎上，將現(xiàn)代生物技術(shù)與傳統(tǒng)育種技術(shù)集成組裝，加快加工專用型高附加值大豆新品種的培育，以降低企業(yè)的加工成本，在確保企業(yè)及農(nóng)場主等各方利益最大化的同時，也確保國產(chǎn)大豆上中下游全產(chǎn)業(yè)鏈的良性健康發(fā)展。（本文圖表略）

本文作者：王紹東 劉偉 于佳 姜妍 王浩 李遠明 單位：東北農(nóng)業(yè)大學國家大豆工程技術(shù)研究中心