大豆籽粒異黃酮及其組分含量遺傳分析

大豆籽粒異黃酮及其組分含量遺傳分析

大豆異黃酮是一種多酚類化合物。它的組成和存在形式主要包括磺酰胺、大豆苷元、大豆苷元等。自然情況下主要以染料木甙（genistin）和大豆甙（daidzin）等9種葡糖甙構(gòu)成。關(guān)于甙元的代謝產(chǎn)物、代謝途徑已基本搞清。染料木素和黃豆甙元作為大豆異黃酮的甙原的主要成分，對(duì)抑制癌細(xì)胞的增殖具有特異作用，而被認(rèn)為是大豆異黃酮中具有預(yù)防和治療癌癥最有效的形式。大豆異黃酮（isoflavone）是大豆體內(nèi)特別是種子中積累的一類次生代謝產(chǎn)物。早期發(fā)現(xiàn)它是引起大豆食品苦澀味的主要因子之一，但近幾年證實(shí)它又具有特殊的生物效能[6,7,8,9,10,11,12,13,14]，表現(xiàn)在具有弱雌激素活性、抗氧化活性、抗溶血活性和抗真菌活性，能有效預(yù)防和抑制白血病、骨質(zhì)疏松、結(jié)腸癌、肺癌、骨癌、胃癌、乳腺癌和前列腺癌、婦女更年期綜合癥等多種疾病的發(fā)生，尤其是對(duì)乳腺癌和前列腺癌有良好的預(yù)防和治療作用。genistein抗癌機(jī)制的研究成為熱點(diǎn)，現(xiàn)已提出了幾種可能的機(jī)制，包括：性激素調(diào)節(jié)作用；抑制酪氨酸蛋白激素酶活性，抑制拓?fù)洚悩?gòu)酶活性、抗氧化作用、誘發(fā)癌細(xì)胞凋亡及增加藥效等。因此，大豆異黃酮及其組分具有多種生理作用，已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等行業(yè)。自然界中異黃酮資源十分有限，大豆是惟一含有異黃酮且含量在營(yíng)養(yǎng)學(xué)上有意義的食物資源，其變化范圍約為0.5～0.7mg·g-1干大豆，不同大豆品種中大豆異黃酮含量不同。大豆異黃酮在大豆中主要分布于大豆種子的子葉和胚軸中，子葉中約為0.1%～0.3%，胚軸中所含異黃酮種類較多且濃度較高，所占比例卻很少（10%～20%）；種皮中異黃酮含量極少。對(duì)中國(guó)不同生態(tài)類型的大豆品種進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)中國(guó)大豆品種異黃酮含量的變幅比日本和巴西品種更大，說(shuō)明中國(guó)大豆異黃酮種質(zhì)資源豐富。研究表明，不同大豆品種的大豆異黃酮含量顯著不同；同時(shí)，大豆異黃酮含量受多種內(nèi)外因素的影響，其中遺傳因素是重要的影響因子之一，而關(guān)于大豆品種籽粒異黃酮及其組分含量的配合力和雜種優(yōu)勢(shì)研究，國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)報(bào)道。為此，本文的研究將對(duì)大豆異黃酮及其組分的育種合理選配親本，雜種優(yōu)勢(shì)利用提供理論依據(jù)。1研究構(gòu)建與．本研究于2001～2002年在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)田進(jìn)行。供試品種選用4個(gè)較高異黃酮品種：鄭92116、豫豆29、豫豆25、豫豆22，異黃酮含量（μg·g-1）分別為4500、4300、3700、3600;4個(gè)較低異黃酮品種：豫豆23、鄭90007、豫豆19、鄭長(zhǎng)青14選，異黃酮含量（μg·g-1）分別為2500、2300、1900和1700左右。以鄭92116(P1）、豫豆29(P2）、豫豆23(P5）、鄭90007(P6）為母本，以豫豆25(P3）、豫豆22(P4）、豫豆19(P7）、鄭長(zhǎng)青14選（P8）為父本，按NCⅡ交配設(shè)計(jì)配制16個(gè)組合，次年將這16個(gè)組合的F1和8個(gè)親本一起種植。試驗(yàn)隨機(jī)區(qū)排列，3次重復(fù)，單行區(qū)，行長(zhǎng)1.5m，行距40cm，株距14cm。田間記載生育期，收獲時(shí)去掉頭上一株，其余按順序依次拔取10株進(jìn)行室內(nèi)考種。異黃酮含量測(cè)定：采用島津高效液相色譜儀（LC-6A），用高效液相色譜法定性定量測(cè)定樣品中的異黃酮含量。配合力分析：按NCⅡ交配設(shè)計(jì)分析程序進(jìn)行一般配合力（GCA）和特殊配合力分析（SCA）。雜種優(yōu)勢(shì)分析：中親優(yōu)勢(shì)（%）=（F1-MP）/MP×100超高親優(yōu)勢(shì)（%）=（F1-HP）/HP×100雜種優(yōu)勢(shì)指數(shù)（%）=hF1/MP×100MP為雙親平均值，HP為高親值，hF1為雜交種F1某一數(shù)量性狀的數(shù)值。2結(jié)果與分析2.1單-份分析2.1.1ssr-pcr擴(kuò)增多態(tài)性各性狀及組合間方差分析結(jié)果（表1）說(shuō)明，籽粒異黃酮含量、染料木素、黃豆甙元、大豆甙元、染料木甙、大豆甙各個(gè)性狀組合間，均達(dá)到0.01的顯著水平。同時(shí)，分析結(jié)果還表明，籽粒異黃酮含量和黃豆甙元中母本GCA和母×父SCA均達(dá)0.01的顯著水平而父本GCA不顯著，并且VG/VS小于1，說(shuō)明籽粒異黃酮含量和黃豆甙元既受加性效應(yīng)又受非加性效應(yīng)的影響；染料木甙GCA和SCA均不顯著，方差之比等于0，說(shuō)明染料木甙主要受非加性效應(yīng)控制；染料木素中母本GCA和母×父SCA均達(dá)0.01的顯著水平而父本GCA不顯著，并且VG/VS大于1，說(shuō)明染料木素既受加性效應(yīng)又受非加性效應(yīng)的影響，此性狀的遺傳以加性效應(yīng)為主；大豆甙元和大豆甙中母本GCA、父本GCA和母×父SCA均達(dá)0.01的顯著水平，并且VG/VS大于1，說(shuō)明大豆甙元和大豆甙這2個(gè)性狀的遺傳以加性效應(yīng)為主。2.1.2一般配合力效應(yīng)在親本選配中，一般配合力（GCA）是對(duì)加性效應(yīng)的度量。由于加性效應(yīng)易被較穩(wěn)定地遺傳，所以研究諸性狀的GCA大小在選配親本中具有重要意義。8個(gè)親本的籽粒異黃酮及其組分含量的GCA值列于表2。從表2看出，同一性狀不同親本的GCA效應(yīng)差異較大。P4籽粒異黃酮含量的GCA效應(yīng)為9.79,P1在此性狀上的GCA效應(yīng)最小為-7.87。籽粒異黃酮含量母本GCA大小順序?yàn)镻4>P2>P1>P3，父本GCA順序?yàn)镻6>P7>P8>P6；染料木素、黃豆甙元、大豆甙母本GCA順序?yàn)镻2>P4>P1>P3，父本GCA順序?yàn)镻6>P8>P5>P7,8個(gè)親本在同一性狀上的GCA效應(yīng)大小總體順序?yàn)镻2>P4>P6>P7>P8>P5>P1>P3。即表現(xiàn)為同一性狀高異黃酮含量親本的GCA效應(yīng)不一定高于中、低異黃酮含量親本的GCA效應(yīng)，例如P1、P2都屬于高異黃酮含量親本，但是P2的GCA效應(yīng)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于P1的GCA效應(yīng)值；同樣P3、P4都屬于中高異黃酮含量親本，但是P4的GCA效應(yīng)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于P3的GCA效應(yīng)值；同一親本不同性狀的GCA效應(yīng)也不一樣，往往在某些性狀上表現(xiàn)較差，而在另些性狀上表現(xiàn)突出。如GCA效應(yīng)較低的P5，雖然5個(gè)性狀GCA均表現(xiàn)為負(fù)值，但黃豆甙元含量的GCA值高達(dá)3.43；相反，同一親本不同性狀的GCA效應(yīng)在某些性狀上表現(xiàn)突出，而在另些性狀上表現(xiàn)較差。如GCA效應(yīng)較高的P2，雖然5個(gè)性狀GCA均表現(xiàn)為較高值，但染料木甙的GCA值卻只有0.39。各性狀親本值的高低與GCA效應(yīng)值的大小不一致，就本試驗(yàn)而言，異黃酮含量不同的品種在各性狀上的GCA值沒(méi)有顯著的區(qū)別。4個(gè)高異黃酮親本（P1P2P3P4）中，其中親本P2和親本P4的6個(gè)性狀的GCA都是正值，親本P1和親本P3的6性狀皆為負(fù)值；4個(gè)低異黃酮親本（P5P6P7P8）中的6個(gè)性狀的GCA值，相比之下親本P6、P7高于P5、P8的GCA效應(yīng)值；4個(gè)低異黃酮親本中的P6、P7、P8在6個(gè)性狀GCA效應(yīng)值中絕大多數(shù)都大于異黃酮含量高的P1和P3。因此，在高異黃酮大豆育種的親本選配中，除要求親本本身的農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量因素表現(xiàn)較好及異黃酮含量外，還要注意選配GCA效應(yīng)值大的做親本，以期在后代中能選育目標(biāo)性狀的材料。2.1.3特征性狀sca總體效應(yīng)的顯著性分析基因的非加性效應(yīng)作用的結(jié)果。這一效應(yīng)一般只在雜交后才表現(xiàn)出來(lái)，較難在上下代之間穩(wěn)定遺傳，但在優(yōu)良組合選配上具有特殊意義。由表3可見(jiàn)，同一組合不同性狀的SCA效應(yīng)有較大差異，如P1×P8組合，大豆甙為31.47，而染料木甙含量卻為-21.84；又如P1×P5組合，染料木甙含量33.27，而大豆甙卻為-11.42；同一性狀不同組合的SCA效應(yīng)的變異也很大，例如籽粒異黃酮含量在不同組合間的變幅為-25.74～24.83，而大豆甙變幅為-41.78～31.47。通過(guò)對(duì)4種類型間及同一類型不同組合間的差異顯著性分析表明,在16個(gè)組合的4種類型間差異達(dá)顯著水平。就各類型間性狀SCA總體效應(yīng)表現(xiàn)來(lái)看,高×高類型各性狀SCA效應(yīng)表現(xiàn)都較高,低×低類型次之,高×低類型第三,低×高類型表現(xiàn)最不好,其中也有個(gè)別例外的組合。低×低類型的組合因親本異黃酮含量較低,后代中異黃酮含量也都較低,較難從中選出高異黃酮含量材料。雖然低×低類型各性狀SCA效應(yīng)較高,但無(wú)實(shí)際意義。因此,在選配親本時(shí),最好選擇高×高類型或高×低類型。這說(shuō)明如果以高異黃酮含量材料作母本,父本無(wú)論是高異黃酮材料,還是低異黃酮材料,都可以從中找出較高SCA效應(yīng)的親本組合。同一類型的4個(gè)組合中SCA效應(yīng)有一定差異,故同類型間可采用較為靈活的雜交組合方式。具有共同親本的組合,其SCA效應(yīng)也表現(xiàn)有一定差異。如在籽粒異黃酮含量、染料木素、黃豆甙元、大豆甙元、染料木甙、大豆甙6個(gè)性狀中P2×P7的SCA效應(yīng)皆為正值,而P2×P8卻全為負(fù)值。而且有一親本相同的組合,其SCA效應(yīng)的大小順序并不同于另一親本本身在該性狀上所表現(xiàn)的大小順序,如親本籽粒異黃酮含量的GCA從高到低順序?yàn)镻4>P7>P8>P3,但與P1雜交后,雜種組合的SCA順序卻為P1×P3>P1×P7>P1×P4>P1×P8。2.2ssr各性狀的優(yōu)勢(shì)表4列出了籽粒異黃酮含量及其組分含量的平均雜種優(yōu)勢(shì)及變異幅度。從表4的雜種優(yōu)勢(shì)可知，除黃豆甙元和大豆甙的中親優(yōu)勢(shì)達(dá)正值水平外，其余性狀的中親優(yōu)勢(shì)及超親優(yōu)勢(shì)均為負(fù)值，并且大多數(shù)性狀的雜種優(yōu)勢(shì)指數(shù)小于100%。這說(shuō)明獲得F1代異黃酮含量的雜種優(yōu)勢(shì)（尤其是超親優(yōu)勢(shì)）要難得多。從表4還可看出，各性狀的變異幅度差異較大，從極距來(lái)看有正有負(fù)，這表明，這些性狀中盡管有些組合表現(xiàn)低于雙親，但也有正向優(yōu)勢(shì)的組合，說(shuō)明通過(guò)選擇還是可以選出較好后代甚至超親類型。3微織構(gòu)基因的選擇和利用3.1大豆籽粒異黃酮及其組分含量在品種間及組合間表現(xiàn)有一定的差異，在選配組合時(shí)，應(yīng)慎重選擇親本。籽粒異黃酮組分在籽粒中的絕對(duì)含量和相對(duì)含量差異較大，遺傳行為各有不同，應(yīng)根據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行后代選擇。染料木素、大豆甙元和大豆甙這3個(gè)性狀的遺傳以加性效應(yīng)為主，故對(duì)此3性狀在后代中的選擇是有意義的。由于染料木素和大豆甙元應(yīng)用價(jià)值重大，在以醫(yī)藥和保健價(jià)值為目標(biāo)的優(yōu)質(zhì)大豆育種中，可在高代材料中進(jìn)行染料木素和大豆甙元含量的篩選，以提高其品質(zhì)。染料木甙主要受非加性效應(yīng)控制，遺傳以基因的非加性效應(yīng)為主，但從本試驗(yàn)看，在后代中對(duì)此性狀的直接選擇是很困難的。3.2大豆籽粒異黃酮含量是一個(gè)非?；钴S的因素，易受環(huán)境條件的影響而表現(xiàn)出較大幅度差異。但越來(lái)越多的試驗(yàn)指出，籽粒異黃酮含量的差異不僅是環(huán)境的作用，更重要的是品種的遺傳差異。高異黃酮品種在不同環(huán)境條件下，大都仍然保持比一般品種較高的異黃酮含量。本研究表明，高異黃酮品種GCA較高，且以高異黃酮品種作為雜交母本，采用高×高或高×低組合類型，在后代中有可能選出高異黃酮材料。這在大豆品質(zhì)育種中為指導(dǎo)親本合理選配、減少盲目性提供了理論依據(jù)。3.3對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)的分析結(jié)果表明，控制籽粒異黃酮及其組分的有關(guān)基因在各組合中作用不同。在雜種中親優(yōu)勢(shì)中，除黃豆甙元含量和大豆甙表現(xiàn)為正向優(yōu)勢(shì)外，其它均表現(xiàn)為負(fù)向優(yōu)勢(shì)。因此，正確地選配親本是利用雜種優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。在本試驗(yàn)中，雜種優(yōu)勢(shì)的變幅很大，這種變異還有待于更深入的研究。3.4在大豆異黃酮的育種選擇過(guò)程中，要想獲得理想的基因組合，一是采用雙親異黃酮含量均高或均低的組合，這樣的組合出現(xiàn)正向或負(fù)向超親的機(jī)會(huì)較少，但高含量或低含量異黃酮的個(gè)體較多。另一途徑可通過(guò)超親來(lái)達(dá)到理想目的，超親率高的組合雖然雙親并不十分優(yōu)良，但大量的超親現(xiàn)象可以稱補(bǔ)雙親的不足，使后代擁有較多的優(yōu)良個(gè)體；而那些中