大豆低植酸突变种质的创新及其生化特性和分子遗传学研究

【摘要】： 植酸是作物种子中含磷最丰富的化合物，通常占到种子干重的1％以上，占种子全磷含量的65％-85％和酸溶性肌醇磷酸盐的90％以上。植酸通常与K~+、Ca~(2+)、Mg~(2+)、或／和Zn~(2+)等离子先形成盐(phytin)，然后再与蛋白形成具有单层膜的泡状小球，进一步聚积为更大体积的球状体，而存在于作物的种子中。在大豆种子中，植酸主要贮存在胚乳和子叶中，占种子干重的4％左右。由于单胃动物不含或含有活性很低的植酸酶，不能利用植物性饲料中的植酸盐，这些植酸盐随粪便等排出，进入水系后造成富营养化，这在饲养企业密集的区域体现更明显。降低种子中植酸的含量，为解决与植酸相关的营养和环保问题开辟了新的途径。 本实验采用诱变技术，从浙春3号和台湾75二个大豆品种的诱变群体中，育成了低植酸突变系各1份，并对其开展了系统研究。主要研究结果如下： (一)采用150Gy ~(60)Coγ射线处理干种子，利用无机磷(Pi)简易筛选法，分别从南方主推鲜食大豆品种台湾75和粒用品种浙春3号的近30，000个M_2单株后代中，育成了低植酸(lpa)突变系Gm-lpa-TW-1和Gm-lpa-ZC-2。经过4-5代的种植和观察，明确其lpa性状可稳定遗传。 (二)与亲本相比，这两份突变系总磷变化不显著，而Pi含量均显著增加，Gm-lpa-ZC-2是浙春3号的2-3倍，而Gm-lpa-TW-1是台湾75的8倍左右。二个突变系的植酸含量均显著下降，降幅均在50％以上；Gm-lpa-ZC-2在植酸下降的同时，低价肌醇磷酸盐含量上升，而Gm-lpa-TW-1的低价肌醇磷酸盐含量没有显著变化。 (三)环境条件对突变系和亲本P素的组成有显著的影响。海南生产的二个突变系籽粒中总磷含量明显高于杭州春季和秋季所生产的籽粒，而杭州春季和秋季生产的突变系籽粒中总磷的含量没有显著的差异。Pi含量受环境条件的影响较大，海南生产的籽粒中Pi含量最高，而杭州春季生产的Pi含量最低。肌醇磷酸盐含量亦受到环境条件的影响，但两个突变系对环境的反应不同，Gm-lpa-ZC-2以海南生产的籽粒为最高，而Gm-lpa-TW-1以杭州生产的籽粒最高；亲本和突变系对环境条件的反应也存在较大的差异。 (四)利用突变系与非低植酸品种杂交组合(Gm-lpa-TW-1×浙春3号、Gm-lpa-TW-1×中豆27、Gm-lpa-ZC-2×无腥4号、Gm-lpa-ZC-2×五星1号)的F_2(F_3)群体的单株(株系)，研究了lpa突变的遗传特性，发现两个突变均受隐性单基因所控制。杂交互补试验表明，Gm-lpa-TW-1和Gm-lpa-ZC-2的两个突变属非等位突变； (五)利用Gm-lpa-ZC-2×无腥4号组合F_(2：3)群体进行了突变基因的定位。在700余个大豆SSR位点多态性筛选的基础上，利用分离群体基因池初步确定连锁SSR，最后利用株系分析确定连锁程度。结果发现：在B2连锁群中Satt168和Satt416二个标记与低植酸性状相连锁，遗传距离分别为9.0cM和4.6cM。 (六)根据突变系Gm-lpa-TW-1植酸下降的特点，低价肌醇磷酸盐的升降和出现与否，以及同一代谢途径中低聚糖含量的变化情况，初步确定其突变候选基因为MIPS1(肌醇3磷酸合成酶)基因。运用生物信息学技术，根据已发表的大豆MIPS1的DNA序列，共设计6对引物，对PCR产物进行序列分析，发现：与亲本相比，突变系的第3个外显子出现了AG 2bp的缺失，造成移码突变。利用突变系杂交F_4代纯合的低植酸株系和纯合的非低植酸株系，对碱基缺失和低植酸性状的关系进行验证分析，发现突变系中2bp的缺失与低植酸性状共分离。 (七)通过比较突变系与亲本杂交后代中突变型和亲本的田间表现，研究了低植酸突变对农艺性状的影响。结果表明，Gm-lpa-ZC-2与亲本浙春3号相比，仅熟期变迟，其它农艺性状没有显著差异；与亲本台湾75相比，Gm-lpa-TW-1籽粒田间出苗率变得更低，但反季节繁殖的种子出苗率仍然较高。在Gm-lpa-ZC-2的二个杂交后代中，lpa型F_2单株和F_3株系的产量性状与亲本的差异不一致，表明Gm-lpa-ZC-2作为低植酸品系应用于育种实践是完全可行的。 (八)试验对大豆低植酸突变系Gm-lpa-TW-1、Gm-lpa-ZC-2及其亲本的蛋白、脂肪、脂肪酸、氨基酸和大豆异黄酮等营养品质性状进行了研究。结果发现，同亲本相比，这两份突变系在蛋白含量、氨基酸组成和脂肪含量上总体变化不显著；浙春3号和突变系Gm-lpa-ZC-2在各种脂肪酸含量上均没有显著的差别，但台湾75的突变系Gm-lpa-TW-1油酸含量上升而亚油酸含量下降，均达显著水平，但总的不饱和脂肪酸无显著的差异。与亲本相比，Gm-lpa-ZC-2的异黄酮总含量提高29.5％，除染料木素外，12种不同的异黄酮组分含量均有所升高。相反，突变系Gm-lpa-TW-1与亲本相比，所有的异黄酮组分和总的异黄酮含量均表现为明显下降，总含量下降了42％。