中美乌大豆种质资源油脂性状分化与关键基因选择的基因组学解析

《Plants》：Persistent Calyx Enhances Floral Thermoregulation and Reproductive Success in Brandisia hancei Hook. f. (Orobanchaceae) Yongquan Ren, Xiangkai Yang, Xin Deng, Ruifeng Sun and Xia Jiang

本文通过系统比较中美乌三国大豆种质资源，揭示了乌拉圭品种高油含量(>21%)显著高于中国品种(~19.4%)的遗传基础。研究发现，强烈的定向选择导致乌拉圭品种在关键油脂合成基因（如GmDGAT1、GmbZIP123）上富集了有利单倍型，并鉴定出显著的选择清除信号（FST峰值达0.514）。这项研究为利用南美高油模块提升中国大豆产油效率，并打破油分与蛋白质含量间的负相关性，提供了重要的基因组学依据和分子育种策略。

　　

中美乌大豆油脂性状分化的遗传机制解析

1. 引言

大豆(Glycine max)是全球最重要的经济作物之一，提供了约28%的全球植物油和70%的膳食蛋白。尽管栽培大豆起源于中国，但过去半个世纪以来，全球大豆主产区和育种中心已转移至美洲，特别是南美的乌拉圭等国。长期的育种目标分化，导致中国种质长期追求高蛋白含量以适应豆制品加工，而美洲育种体系则主要服务于榨油工业，强烈选择高油含量。这导致了显著的油分差异，中国品种的油分通常比美洲品种低2-3个百分点。然而，乌拉圭高油大豆种质背后的遗传基础和选择信号尚未得到充分阐明。本研究通过“中豆芯1号”SNP芯片对98份代表性资源（包括中国种质、乌拉圭常规种质和乌拉圭转基因种质）进行高密度基因分型，并结合多年多点表型数据，旨在阐明中美乌种质在油分性状上的分化程度、揭示乌拉圭种质内的全基因组人工选择足迹，并阐明关键基因的单倍型结构及多基因有利等位基因的聚合机制。

2. 结果

2.1. 中美乌大豆种群籽粒蛋白与油分含量变异

对三个大豆种群（中国CN、乌拉圭常规UY_N、乌拉圭转基因UY_T）的种子品质性状分析显示，它们在蛋白和油分含量上存在显著差异。CN种群的蛋白质含量最高（平均43.61%），显著高于乌拉圭种群。乌拉圭种群（UY_N和UY_T）则显示出相反的、显著更高的油分含量，均值分别为21.56%和21.41%，两者间无显著差异，但都显著高于CN种群（平均19.42%）。这印证了种子蛋白与油分含量间显著的负相关性。

2.2. 油分含量的广义遗传力分析

广义遗传力(H²)分析表明，CN、UY_N、UY_T种群的油分遗传力分别高达0.87、0.82和0.98，表明该性状在不同环境下具有高度的遗传稳定性。特别值得注意的是，将72份常规材料（48份CN和24份UY_N）合并分析时，其遗传力(H²)升高至0.92。这反映了两个基因库在油分性状上存在显著的遗传分化，表明表型差异主要由可固定的遗传因素驱动，而非环境可塑性。这意味着通过中美乌种质间杂交，在创造高油后代方面具有巨大潜力。

2.3. 中美乌大豆种质油分与蛋白含量的表型分化

相关性分析进一步确认了中国种质与乌拉圭种质在性状分布上的互补优势。中国种质主要表现为“高蛋白（平均43.6%）、低油分（平均19.4%）”的表型，而乌拉圭常规和转基因种质则聚集在“高油分（平均>21.4%）、中低蛋白（平均<40.3%）”的区域。

2.4. 基于主成分分析的表型分化可视化

基于种子蛋白和油分数据的主成分分析(PCA)显示，PC1解释了90.23%的变异，主要反映了蛋白与油分的强负相关性。中国种质与乌拉圭种群在PC1轴上明显分离，而乌拉圭的UY_T和UY_N种群则高度重叠和紧密聚集。这表明决定种子品质性状的主要因素是乌拉圭品系共享的遗传背景，转基因事件的导入并未导致其在蛋白和油分组成上与常规轮回亲本产生显著表型分化。

2.5. 中美乌种质全基因组遗传多样性分布

基于158,327个SNP标记的全基因组期望杂合度(He)分布分析显示，中国种质的遗传多样性最高（平均He=0.198）。而两个乌拉圭种群（UY_N和UY_T）的遗传多样性则显著降低，其分布曲线偏向固定或接近固定的等位基因（低He）。这反映了伴随大豆引入南美而产生的“奠基者效应”和遗传瓶颈。值得注意的是，乌拉圭转基因种群(UY_T)的遗传多样性（平均He=0.135）甚至低于乌拉圭常规种群(UY_N，平均He=0.151)，这表明转基因事件的导入及其后对商业性状的严格选择施加了额外的遗传瓶颈。

2.6. 全基因组选择信号与关键油脂QTL分析

为探究与育种历史和适应相关的基因组分化和选择信号，我们在中国和乌拉圭大豆种质之间进行了基于固定指数(F_ST)的全基因组扫描。结果显示，在第17号染色体上检测到一个与油分性状高度相关的显著选择信号(F_ST=0.51)。这个峰值区域包含了关键油脂合成基因GmDGAT1(Glyma.17G053300)。进一步的局部连锁不平衡(LD)分析显示，在乌拉圭种质中，GmDGAT1及其侧翼区域存在广泛的高r²LD区块，表明该区域经历了强烈的人工选择，导致了优良单倍型的快速固定和遗传多样性的显著降低。

2.7. 关键油脂与适应性基因的优良等位基因单倍型分化与聚合

本研究对两个高置信度的候选基因进行了详细的单倍型分析：位于第17号染色体显著选择峰上的GmDGAT1，以及位于第6号染色体、编码参与油脂积累调控的碱性亮氨酸拉链转录因子的GmbZIP123。在GmDGAT1位点，中国种质中以单倍型Hap2为主（频率0.650），而有利单倍型Hap1频率较低（0.257）。相反，Hap1在乌拉圭常规种质中频率显著升高（0.783），并在乌拉圭转基因种质中达到完全固定（1.000）。在GmbZIP123位点，中国种质以Hap5为主（频率0.750），而有利单倍型Hap4在乌拉圭常规种质中完全固定（1.000），在转基因种质中也占主导（0.880）。这种多个基因座上优良等位基因高度一致地富集，表明乌拉圭种质在长期的集约化育种过程中，不仅直接选择了高油基因GmDGAT1，也很可能固定了有利于增强代谢适应性的GmbZIP123等位基因，形成了“高油+高适应性”优良等位基因聚合的遗传基础。

2.8. 中乌种群间关键油脂基因的等位基因分化

基于文献汇总的42个已知油脂相关基因位点的统计比较显示，不同位点的分化程度差异显著。其中，控制大豆三酰甘油生物合成途径的关键基因GmDGAT1，其相关位点（如Chr17:4032449）的有利参考等位基因频率在中国基础种质中相对较低（约0.26），但在引入的乌拉圭种质中接近固定（约0.90-1.00）。这种急剧变化表明，GmDGAT1在大豆引入乌拉圭或当地高强度高油育种过程中经历了强烈的正向选择，这很可能是乌拉圭优良种质油分显著提高的关键遗传因素。

3. 讨论

3.1. 驯化选择下油脂性状的演化与遗传分化

本研究量化了中乌大豆种质之间约2.1%的油分差异，证实了在南美新兴的大豆产区发生了显著的遗传分化。这种表型分化深刻反映了两地不同的驯化和育种历史。中国的育种历史优先考虑通过人工选择提高蛋白质含量，这在一定程度上抑制了对高油性状的选择。由于大豆种子中蛋白质和油分含量存在显著的负相关，这种由能量代谢限制驱动的“演化权衡”意味着，对高蛋白的选择常常伴随着低油基因的保留。相比之下，乌拉圭育种体系深受北美模式影响，以榨油工业效率为主要驱动力，对高油产量的追求打破了原有的蛋白-油脂平衡，导致了高油基因的快速积累。本研究的F_ST数据强有力地支持了这一观点：乌拉圭种质在油脂相关位点上的遗传分化，表明这种分化是高强度定向人工选择的结果，而非随机的遗传漂变。

3.2. GmDGAT1的选择特征与功能演化

在本研究中，位于第17号染色体的GmDGAT1区域（F_ST=0.514，Top 1%）显示出针对本研究所关注油分性状的特异且显著的选择信号。GmDGAT1是催化三酰甘油生物合成最后一步的关键限速酶，该位点的显著分化为中乌种质间油分表型的巨大差异提供了直接的功能基因组学证据。研究发现，GmDGAT1基因在乌拉圭种质中接近固定，而其有利等位基因在中国种质中频率相对较低。这表明，乌拉圭种质很可能通过引入北美高油亲本，成功固定了GmDGAT1的高油单倍型。反之，该有利等位基因在中国育种史上尚未受到足够的正向选择压力。此外，研究还鉴定出第6号染色体上可能含有尚未完全表征的油脂调控因子的新固定位点。

3.3. 遗传瓶颈效应下的多样性丧失与遗传增益

尽管乌拉圭种质表现出极高的油分含量，但其遗传多样性显著降低。这种源于少数优良亲本的“奠基者效应”在美国大豆中普遍存在。这种被称为“遗传阻力”的多样性丧失，在固定优良性状的同时，也可能增加作物面对极端气候的脆弱性。相比之下，中国种质保留了更丰富的变异库，为应对未来气候变化提供了宝贵的遗传缓冲。研究发现，乌拉圭常规与转基因种质之间的遗传差异极小，这表明当地的转基因育种主要是将抗性基因导入少数优良的高油遗传背景中。因此，对乌拉圭种质的利用，应超越简单的直接引种，需要通过精确的基因组渗入，在保持中国种质广泛适应性的同时，引入高油基因模块。

3.4. 基于基因组分化的分子育种与种质改良策略

基于识别出的中乌大豆种质间的显著遗传分化区域和关键固定等位基因，本研究提出了整合的分子育种策略以提升中国大豆的油分含量。首先，应优先发展精确的标记辅助选择。开发针对GmDGAT1等区域的高通量KASP或SNP单倍型标记，将有助于高效选择携带乌拉圭优良等位基因的个体。鉴于油分与蛋白质含量间的强负相关性，应利用基因组选择模型来打破高油与低蛋白基因间的连锁累赘。此外，基因编辑技术为改良提供了直接途径。鉴于GmDGAT1经历了强烈的人工选择，利用CRISPR/Cas9技术修饰中国品种中的顺式调控元件以模仿高油单倍型的调控，可快速提升油分。同时，应结合广泛挖掘野生基因资源，利用泛基因组分析挖掘在驯化过程中丢失的稀有等位基因。

4. 材料与方法

研究构建了包含98份代表性大豆种质资源的核心种质库，包括48份骨干亲本代表的中国出口级大豆，以及代表乌拉圭当前农业生产主力的50份核心商业品种。田间试验采用随机完全区组设计，在中国海南、浙江和江西三地进行。收获后，使用近红外光谱仪测定种子的粗脂肪和粗蛋白含量。使用“中豆芯1号”SNP芯片进行基因分型，成功率为95.95%，平均获得158,327个变异位点。使用PLINK进行低质量标记过滤，利用VCFtools计算种群间的遗传分化指数(F_ST)和核苷酸多样性(pi)，以扫描全基因组选择信号。基于芯片数据，提取关键候选基因区域内的SNP，结合文献汇总的42个油脂相关基因列表，统计每份种质携带的“高油”有利等位基因总数。

5. 结论

本研究证实，乌拉圭大豆种质代表了一个经过强烈定向选择形成的、区别于中国起源中心的、专业化的高油基因库。研究鉴定出GmDGAT1和GmbZIP123为关键靶点，其有利单倍型已在乌拉圭品系中固定，但在中国种质中仍具有可变性。这些发现意味着，两个种群间的油分差距是由特定、可操作的遗传因素驱动的。因此，乌拉圭种质应被视为“预组装”高油遗传模块的资源库。未来的育种工作必须超越简单的杂交，应侧重于将这些模块精确导入适应性广泛的中国遗传背景中，利用标记辅助选择或基因编辑等策略。这一策略为打破蛋白质与油分的负相关性，最终确保更高的植物油生产效率，提供了一条可行的路线图。