东北春大豆抗蚜关键酶活性测定、遗传分析及QTL定位
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摘要
大豆蚜（Aphis glycines Matsumura）隶属于同翅目，是大豆产区的主要害虫之一，苗期危害严重时可使大豆整株死亡。严重年份轻则减产20%～30%，重则减产达到50%以上。除降低种子产量，大豆蚜危害还会降低种子质量及传播某些植物病毒。大豆蚜分布广泛，在中国大豆产区基本都有分布，尤其东北地区发生较为严重。近年来已经由亚洲扩散到欧洲、美洲等地，成为一种全球性的农业害虫。长期来采用化学方法来防治大豆蚜，但随着大量杀虫剂的使用既污染环境又使其抗药性逐渐增加，而防治效果却逐渐降低，防治费用不断增加。因此，选育和利用抗蚜品种将是今后控制大豆蚜发生的一种经济有效的途径。
长期以来中国大豆抗蚜育种工作主要在抗蚜资源筛选上，但稳定的、可利用的优良高抗大豆蚜种质资源仍然极少，常规育种田间直接选择抗蚜材料难度大，难以满足大豆抗蚜育种的需要。本研究利用3种已知不同抗蚜性大豆材料（高抗蚜材料野生豆85-32、抗蚜品种国育98-4和感蚜品种东农49）为试验材料，研究3种大豆材料中茉莉酸途径（JA）和水杨酸途径（SA）的4种关键酶（脂氧合酶（LOX）、丙二烯氧化物合成酶（AOS）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）和β-l,3葡聚糖酶）活性，明确茉莉酸途径（JA）和水杨酸途径（SA）关键酶与大豆抗蚜性的关系，为大豆抗蚜性鉴定进一步提供依据，为深入了解大豆抗蚜理化防御机制提供理论支持；以高抗蚜品种野生85-32、抗蚜品种国育98-4和感蚜品种东农49分别组配多世代群体，应用盖钧镒先生提供的多世代联合的数量性状分析方法，进行抗性遗传分析，明确现有抗源的遗传规律，为培育抗大豆蚜品种提供遗传基础；以东农49和野生85-32杂交F2群体为试验材料，采用SSR分子标记技术,对大豆蚜抗性基因进行QTL（quantitative traitloci）定位，为大豆抗蚜分子育种提供理论依据，对今后抗大豆蚜基因图位的克隆、选育高抗大豆蚜新品种具有重要理论价值和科学意义。具体研究结果如下：
1.不同品种接蚜处理与未接蚜对4种酶活性的影响及接蚜后酶活性变化的种内比较：无论是高抗蚜品种野生豆85-32、抗蚜品种国育98-4还是感蚜品种东农49，其对照（未接蚜虫）在各个时间4种酶活性变化均不大，而接种蚜虫的处理4种酶活性与对照相比均有明显的提高。LOX、AOS和PAL活性达到峰值后又迅速下降，而β-l,3葡聚糖酶在72h内其活性始终缓慢增加。接蚜后不同品种酶活性变化显著性比较，发现3个大豆品种接蚜前后种内酶活性在各个时间基本上都表现出在0.05水平上差异显著，在0.01水平上差异极显著。
2.接蚜后不同抗蚜品种4种酶活性变化的品种间比较：接蚜后3种不同抗蚜大豆品种的4种酶活性均升高，且无论在种间还是种内活性差异都很大，接蚜后LOX、AOS和PAL活性均出现峰值，而后均有下降，但下降幅度不同；高抗品种85-32和抗蚜品种国育98-4的β-l,3葡聚糖酶活性变化趋势与其余3种酶不同，在接蚜后12h内β-l,3葡聚糖酶活性增加缓慢，12h后迅速增加，之后活性缓慢上升，抗蚜品种国育98-4的β-l,3葡聚糖酶活性虽在48h时有所下降，但在72h时又迅速增加，感蚜品种东农49在接蚜后72h内虽有所增加，但变化幅度不大。不同品种间在0h、12h、24h、48h和72h，4种酶活性总体上都表现出在0.05水平上差异显著，在0.01水平上差异极显著，抗蚜品种在接种蚜虫前的4种酶活性就明显高于感蚜品种。
3.利用筛选出的高抗蚜品种野生85-32、抗蚜品种国育98-4和感蚜品种东农49，组配了东农49×野生85-32（DY）、东农49×国育98-4（DG）2个杂交组合，构建了P1、F1、P2、F2和F2:3，采用主基因+多基因混合遗传模型多世代联合分析方法，对每个杂交组合的各世代的单株大豆蚜数量进行调查，用来分析两个组合的遗传群体抗大豆蚜的遗传模式。结果表明，不同组合抗大豆蚜的遗传均符合一对主基因十多基因的混合遗传模式，即同时受主基因和多基因影响，且组合DG和DY的主基因的遗传率分别为58.03%、31.80%和68.88%、38.43%，多基因的遗传率相对较低，应着重利用主基因改良大豆品种对大豆蚜的抗性，同时还应该考虑多基因的积累。
4.本研究采用800对SSR引物，共有190对SSR引物表现出了良好的多态性，具有较高的检测效率。利用Mapmaker3.0软件进行遗传图谱的构建，其中186对SSR引物被分配到2004年Song定义的20条连锁群（linkage group，LG）上。这些标记覆盖整个染色体组的8681.46cM。在LG C1、LG D1b、LG D2、LG E、LG G和LG K六个连锁群上标记分布较多，每个连锁群上都具有13个以上的SSR标记。
5.对大豆蚜抗性进行QTL分析，发现属于连锁群F的2个与大豆蚜抗性相关的QTL位点为qRAP_F_4（Satt144—sct_033）和qRAP_F_5（Sct_033—satt335），贡献率分别为26.29%和13.15%；另外有2个QTL位点，位于B1连锁群，即qRAP_B1_1（Sat_123—satt415）和qRAP_B1_（2Satt332—sat_095）；1个QTL位于D2连锁群，即qRAP_D2_3（Sat_086—satt135）,贡献率分别为7.64%，7.00%和11.26%。
Soybean aphid, Aphis glycines Matsumura (Homoptera), was an important pest of soybean[Glycine max (L.) Merr.]. At seedling stage, severely infested plants could die. Heavy aphidinfestation on soybean could decrease20%~30%of yield, and severely up to50%in China. Inaddition to reducing seed-yield, the aphid could reduce seed quality and transmit some plantviruses. The soybean aphid widely distributed in soybean producing areas in China, and especiallythe northeast area was more serious. In recent years, it had spread from Asia to Europe, Americaand so on. The soybean aphid had become a kind of world agricultural pests. Producers haddepended on insecticides for controlling the aphid for a long time. Spraying soybean fields withinsecticides could not only cause environmental pollution, but also make its resistance increasinggradually, and control effect gradually reduced, and prevention cost continued to increase. Hence,breeding and utilization varieties with resistance to soybean aphid would be more effective andeconomical to control soybean aphid.
Screening germplasm with resistance to aphid has been investigated for a long time, whilestable and available soybean cultivars are rare at present. Conventional breeding, directlyselection of materials with resistance to aphid in field, was very difficult, so it was difficult tomeet the need of soybean aphid resistance breeding. In the study3soybean materials withdifferent resistance to soybean aphid (high resistant wild soybean85-32, resistant Guoyu98-4and susceptible Dongnong49) as the test materials,4key enzyme activities (lipoxygenase (LOX),allene oxide synthase (AOS), phenylalanine ammonia lyase (PAL), β-l,3glucanase) of jasmonateacid pathway (JA) and salicylic acid pathway (SA) were measured to clear the relationshipsbetween them and soybean resistance to aphid. That further provided the basis for theidentification of soybean resistance to aphid and theory to understand the defense mechanism. Toidentify the resistance inheritance and provide genetic basis of breeding varieties, the inheritanceof resistance to soybean aphid was estimated by using the major gene and polygene genetic model (provided by Gai) with multiple generation populations from Dongnong49×Guoyu98-4andDongnong49×85-32. The aim was to identify the quantitative trait loci (QTL) associated withresistance to soybean aphid by SSR through a F2population, which was derived from a crossbetween Dongnong49and85-32. That provided the basis, important theory and sciencesignificance for molecular breeding, cloning and breeding varieties with high resistance tosoybean aphid. The major results were as follows:
1. The effect of soybean aphid on4enzymes in different varieties and comparison of enzymeactivity changing in each variety infested by aphids:4enzyme activities in85-32, Guoyu98-4andDongnong49(all not infested by aphid) did not obviously change, while them in3varieties(infested) obviously rised. The activities of LOX, AOS and PAL rised to peak value and thendecreased rapidly, whileβ-l,3glucanase activity always increased slowly in72hours. It wasshown that significance comparison of enzyme activities in3varieties reached0.05significantlevel and0.01extremely significant level at each time.
2. Comparison of4enzyme activities in different infested varieties:4enzyme activities in3different infested varieties rised, and the differences of enzyme activity were apparent not only inthe same variety, but also in different varieties. The activities of LOX, AOS and PAL reached peakvalue, and then all descented with different extent. The change tendency of β-l,3glucanase activitywas different from that of other3enzyme activities in85-32and Guoyu98-4. β-l,3glucanaseactivity increased slowly in12hours after infested, while it rised rapidly after12hours, and then itincreased slowly. β-l,3glucanase activity in Guoyu98-4declined at48hour after infested, and thenit increased rapidly at72hour. Though that in Dongnong49had increased in72hours, thevariation was small. As a whole, differences of4enzyme activities were significant at0.05leveland extremely significant at0.01level in different varieties at0hour,12hour,24hour,48hourand72hour. In addition,4enzyme activities in resistance varities were significantly higher thanthat in the susceptible varieties before infested.
3.2hybrid combinations (Dongnong49(susceptible to soybean aphid)×85-32(high resistanceto aphid)(DY) and Dongnong49×Guoyu98-4(resistance to aphid)(DG)) were selected toconstruct P1, F1, P2, F2and F2:3populations. The numbers of soybean aphid per plant of eachgeneration were investigated to analyze the genetic pattern of resistance to soybean aphid indifferent combinations by the major gene and polygene mixed genetic model with multiplegeneration populations of plant quantitative traits. The results showed that resistance to soybeanaphid was controlled by a major gene and polygenes, with the inheritabilities of major gene,68.88%,38.43%in DY, and58.03%,31.80%in DG, respectively. The heritabilities of polygeneswere lower. Through comprehensive analysis, soybean resistance to soybean aphid was not onlycontolled by a major gene, but also there were polygenes effect. Hence, the major gene should bemainly utilized; meanwhile the polygene accumulation should be taken into account to improve soybean varieties with resistance to soybean aphid.
4. In this study, a total of800SSR markers were used to detect polymorphisms between thetwo parents, and190SSR markers were polymorphic in the parents and used for linkage analysis.There was high detecting efficiency. Linkage map was constructed by Mapmaker/EXP version3.0,and186SSR markers were mapped onto20linkage groups designed by Song (2004). The mapreached a total about8681.46cM with an average distance of46.67cM between markers. Therewere more than13SSR markers on each of6linkage groups including more markers, LG C1, LGD1b, LG D2, LG E, LG G and LG K.
5. The analysis result of QTLs associated with resistance to soybean aphid showed that therewere5QTLs detected. There were2QTLs on LG F,2QTLs on LG B1and1QTL on LG D2,qRAP_F_4(Satt144—sct_033), qRAP_F_5(Sct_033—satt335), qRAP_B1_1(Sat_123—satt415),qRAP_B1_2(Satt332—sat_095) and qRAP_D2_3(Sat_086—satt135), respectively, which couldexplain26.29%,13.15%,7.64%,7.00%and11.26%of phenotypic variance, respectively.
长期以来中国大豆抗蚜育种工作主要在抗蚜资源筛选上，但稳定的、可利用的优良高抗大豆蚜种质资源仍然极少，常规育种田间直接选择抗蚜材料难度大，难以满足大豆抗蚜育种的需要。本研究利用3种已知不同抗蚜性大豆材料（高抗蚜材料野生豆85-32、抗蚜品种国育98-4和感蚜品种东农49）为试验材料，研究3种大豆材料中茉莉酸途径（JA）和水杨酸途径（SA）的4种关键酶（脂氧合酶（LOX）、丙二烯氧化物合成酶（AOS）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）和β-l,3葡聚糖酶）活性，明确茉莉酸途径（JA）和水杨酸途径（SA）关键酶与大豆抗蚜性的关系，为大豆抗蚜性鉴定进一步提供依据，为深入了解大豆抗蚜理化防御机制提供理论支持；以高抗蚜品种野生85-32、抗蚜品种国育98-4和感蚜品种东农49分别组配多世代群体，应用盖钧镒先生提供的多世代联合的数量性状分析方法，进行抗性遗传分析，明确现有抗源的遗传规律，为培育抗大豆蚜品种提供遗传基础；以东农49和野生85-32杂交F2群体为试验材料，采用SSR分子标记技术,对大豆蚜抗性基因进行QTL（quantitative traitloci）定位，为大豆抗蚜分子育种提供理论依据，对今后抗大豆蚜基因图位的克隆、选育高抗大豆蚜新品种具有重要理论价值和科学意义。具体研究结果如下：
1.不同品种接蚜处理与未接蚜对4种酶活性的影响及接蚜后酶活性变化的种内比较：无论是高抗蚜品种野生豆85-32、抗蚜品种国育98-4还是感蚜品种东农49，其对照（未接蚜虫）在各个时间4种酶活性变化均不大，而接种蚜虫的处理4种酶活性与对照相比均有明显的提高。LOX、AOS和PAL活性达到峰值后又迅速下降，而β-l,3葡聚糖酶在72h内其活性始终缓慢增加。接蚜后不同品种酶活性变化显著性比较，发现3个大豆品种接蚜前后种内酶活性在各个时间基本上都表现出在0.05水平上差异显著，在0.01水平上差异极显著。
2.接蚜后不同抗蚜品种4种酶活性变化的品种间比较：接蚜后3种不同抗蚜大豆品种的4种酶活性均升高，且无论在种间还是种内活性差异都很大，接蚜后LOX、AOS和PAL活性均出现峰值，而后均有下降，但下降幅度不同；高抗品种85-32和抗蚜品种国育98-4的β-l,3葡聚糖酶活性变化趋势与其余3种酶不同，在接蚜后12h内β-l,3葡聚糖酶活性增加缓慢，12h后迅速增加，之后活性缓慢上升，抗蚜品种国育98-4的β-l,3葡聚糖酶活性虽在48h时有所下降，但在72h时又迅速增加，感蚜品种东农49在接蚜后72h内虽有所增加，但变化幅度不大。不同品种间在0h、12h、24h、48h和72h，4种酶活性总体上都表现出在0.05水平上差异显著，在0.01水平上差异极显著，抗蚜品种在接种蚜虫前的4种酶活性就明显高于感蚜品种。
3.利用筛选出的高抗蚜品种野生85-32、抗蚜品种国育98-4和感蚜品种东农49，组配了东农49×野生85-32（DY）、东农49×国育98-4（DG）2个杂交组合，构建了P1、F1、P2、F2和F2:3，采用主基因+多基因混合遗传模型多世代联合分析方法，对每个杂交组合的各世代的单株大豆蚜数量进行调查，用来分析两个组合的遗传群体抗大豆蚜的遗传模式。结果表明，不同组合抗大豆蚜的遗传均符合一对主基因十多基因的混合遗传模式，即同时受主基因和多基因影响，且组合DG和DY的主基因的遗传率分别为58.03%、31.80%和68.88%、38.43%，多基因的遗传率相对较低，应着重利用主基因改良大豆品种对大豆蚜的抗性，同时还应该考虑多基因的积累。
4.本研究采用800对SSR引物，共有190对SSR引物表现出了良好的多态性，具有较高的检测效率。利用Mapmaker3.0软件进行遗传图谱的构建，其中186对SSR引物被分配到2004年Song定义的20条连锁群（linkage group，LG）上。这些标记覆盖整个染色体组的8681.46cM。在LG C1、LG D1b、LG D2、LG E、LG G和LG K六个连锁群上标记分布较多，每个连锁群上都具有13个以上的SSR标记。
5.对大豆蚜抗性进行QTL分析，发现属于连锁群F的2个与大豆蚜抗性相关的QTL位点为qRAP_F_4（Satt144—sct_033）和qRAP_F_5（Sct_033—satt335），贡献率分别为26.29%和13.15%；另外有2个QTL位点，位于B1连锁群，即qRAP_B1_1（Sat_123—satt415）和qRAP_B1_（2Satt332—sat_095）；1个QTL位于D2连锁群，即qRAP_D2_3（Sat_086—satt135）,贡献率分别为7.64%，7.00%和11.26%。
Soybean aphid, Aphis glycines Matsumura (Homoptera), was an important pest of soybean[Glycine max (L.) Merr.]. At seedling stage, severely infested plants could die. Heavy aphidinfestation on soybean could decrease20%~30%of yield, and severely up to50%in China. Inaddition to reducing seed-yield, the aphid could reduce seed quality and transmit some plantviruses. The soybean aphid widely distributed in soybean producing areas in China, and especiallythe northeast area was more serious. In recent years, it had spread from Asia to Europe, Americaand so on. The soybean aphid had become a kind of world agricultural pests. Producers haddepended on insecticides for controlling the aphid for a long time. Spraying soybean fields withinsecticides could not only cause environmental pollution, but also make its resistance increasinggradually, and control effect gradually reduced, and prevention cost continued to increase. Hence,breeding and utilization varieties with resistance to soybean aphid would be more effective andeconomical to control soybean aphid.
Screening germplasm with resistance to aphid has been investigated for a long time, whilestable and available soybean cultivars are rare at present. Conventional breeding, directlyselection of materials with resistance to aphid in field, was very difficult, so it was difficult tomeet the need of soybean aphid resistance breeding. In the study3soybean materials withdifferent resistance to soybean aphid (high resistant wild soybean85-32, resistant Guoyu98-4and susceptible Dongnong49) as the test materials,4key enzyme activities (lipoxygenase (LOX),allene oxide synthase (AOS), phenylalanine ammonia lyase (PAL), β-l,3glucanase) of jasmonateacid pathway (JA) and salicylic acid pathway (SA) were measured to clear the relationshipsbetween them and soybean resistance to aphid. That further provided the basis for theidentification of soybean resistance to aphid and theory to understand the defense mechanism. Toidentify the resistance inheritance and provide genetic basis of breeding varieties, the inheritanceof resistance to soybean aphid was estimated by using the major gene and polygene genetic model (provided by Gai) with multiple generation populations from Dongnong49×Guoyu98-4andDongnong49×85-32. The aim was to identify the quantitative trait loci (QTL) associated withresistance to soybean aphid by SSR through a F2population, which was derived from a crossbetween Dongnong49and85-32. That provided the basis, important theory and sciencesignificance for molecular breeding, cloning and breeding varieties with high resistance tosoybean aphid. The major results were as follows:
1. The effect of soybean aphid on4enzymes in different varieties and comparison of enzymeactivity changing in each variety infested by aphids:4enzyme activities in85-32, Guoyu98-4andDongnong49(all not infested by aphid) did not obviously change, while them in3varieties(infested) obviously rised. The activities of LOX, AOS and PAL rised to peak value and thendecreased rapidly, whileβ-l,3glucanase activity always increased slowly in72hours. It wasshown that significance comparison of enzyme activities in3varieties reached0.05significantlevel and0.01extremely significant level at each time.
2. Comparison of4enzyme activities in different infested varieties:4enzyme activities in3different infested varieties rised, and the differences of enzyme activity were apparent not only inthe same variety, but also in different varieties. The activities of LOX, AOS and PAL reached peakvalue, and then all descented with different extent. The change tendency of β-l,3glucanase activitywas different from that of other3enzyme activities in85-32and Guoyu98-4. β-l,3glucanaseactivity increased slowly in12hours after infested, while it rised rapidly after12hours, and then itincreased slowly. β-l,3glucanase activity in Guoyu98-4declined at48hour after infested, and thenit increased rapidly at72hour. Though that in Dongnong49had increased in72hours, thevariation was small. As a whole, differences of4enzyme activities were significant at0.05leveland extremely significant at0.01level in different varieties at0hour,12hour,24hour,48hourand72hour. In addition,4enzyme activities in resistance varities were significantly higher thanthat in the susceptible varieties before infested.
3.2hybrid combinations (Dongnong49(susceptible to soybean aphid)×85-32(high resistanceto aphid)(DY) and Dongnong49×Guoyu98-4(resistance to aphid)(DG)) were selected toconstruct P1, F1, P2, F2and F2:3populations. The numbers of soybean aphid per plant of eachgeneration were investigated to analyze the genetic pattern of resistance to soybean aphid indifferent combinations by the major gene and polygene mixed genetic model with multiplegeneration populations of plant quantitative traits. The results showed that resistance to soybeanaphid was controlled by a major gene and polygenes, with the inheritabilities of major gene,68.88%,38.43%in DY, and58.03%,31.80%in DG, respectively. The heritabilities of polygeneswere lower. Through comprehensive analysis, soybean resistance to soybean aphid was not onlycontolled by a major gene, but also there were polygenes effect. Hence, the major gene should bemainly utilized; meanwhile the polygene accumulation should be taken into account to improve soybean varieties with resistance to soybean aphid.
4. In this study, a total of800SSR markers were used to detect polymorphisms between thetwo parents, and190SSR markers were polymorphic in the parents and used for linkage analysis.There was high detecting efficiency. Linkage map was constructed by Mapmaker/EXP version3.0,and186SSR markers were mapped onto20linkage groups designed by Song (2004). The mapreached a total about8681.46cM with an average distance of46.67cM between markers. Therewere more than13SSR markers on each of6linkage groups including more markers, LG C1, LGD1b, LG D2, LG E, LG G and LG K.
5. The analysis result of QTLs associated with resistance to soybean aphid showed that therewere5QTLs detected. There were2QTLs on LG F,2QTLs on LG B1and1QTL on LG D2,qRAP_F_4(Satt144—sct_033), qRAP_F_5(Sct_033—satt335), qRAP_B1_1(Sat_123—satt415),qRAP_B1_2(Satt332—sat_095) and qRAP_D2_3(Sat_086—satt135), respectively, which couldexplain26.29%,13.15%,7.64%,7.00%and11.26%of phenotypic variance, respectively.
引文
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