中国科学家找到大豆“丢失”的基因 破解高产“密码”

中青报·中青网记者 邢婷 通讯员 王静

　　8年来，张大健的工作一直都和大豆育种有关。

　　作为山东农业大学农学院青年教师，36岁的张大健教授带领团队成员聚焦大豆种质资源创新，在拓宽遗传基础、聚合优良基因、科技开发及生产服务等方面做了一系列工作。

　　 张大健教授（中）指导学生实验。王静 摄

　　今年3月，该团队解析了大豆进化历程，首次获得了多年生野生大豆的高精度基因组图谱，高效准确挖掘了大豆基因组的结构变异，拓宽了大豆分子育种可利用的基因资源，为大豆遗传基础解析、驯化性状调控基因挖掘及种质创新提供了重要理论支撑，成果在国际知名学术期刊《自然—植物》在线发表。

　　从野生到栽培，寻找丢失的基因位点

　　大豆是重要的粮油饲兼用作物，在国民经济发展中具有重要战略地位，但自给率较低，是我国农业领域突出的一道难题。

　　今年，实施大豆产能提升工程列入中央一号文件。“创新大豆种质资源，培育优良品种，提升大豆油料产能和自给率，是解决这一难题的根本之策。”张大健说，“基因是种质创新的基础，要想实现种质创新，必须利用先进的科技手段搞清楚大豆的基因组信息。”

　　作为大豆起源国，我国保存着世界上最丰富的大豆种质资源。栽培大豆由祖先野生大豆长期定向选择、改良驯化而成，但在长期驯化和改良过程中，仅有少量基因资源被选择。

　　据前期科研数据，从又黑又小的野生大豆到又黄又大的栽培大豆，这个进化过程中丢失了约70%的基因位点，因而在栽培大豆中产生了严重的遗传瓶颈效应，极大限制了栽培大豆产量提高与品质改良。

　　“多年生野生大豆主要生活在热带和亚热带地区，遗传多样性丰富，具有较强的抗逆、抗盐碱、抗虫、耐旱、耐热等特性，是栽培大豆进行性状改良的重要遗传资源。”张大健说。

　　野生大豆的这些丰富遗传变异，为重要农艺性状的挖掘和育种提供了宝贵的资源，但由于其基因组庞大、重复序列多和高度杂合等特性，一直缺乏高质量染色体级别的参考基因组，更没有泛基因组图谱。

　　从野生大豆到栽培大豆，驯化过程中到底发生了什么变化？大部分的基因位点丢失到哪里了？张大健团队的研究目标锁定为解析野生大豆进化历程，破译大豆育种“密码”。

　　谁能破解基因密码，谁就占领育种制高点

　　具体科研中，张大健带领团队人员制定了“两步走”计划：先搞基础研究，识别高产和优质基因；再利用基因资源，实现大豆“定制化”分子育种。

　　“真正开始做，才知道这件事有多难。”张大健毫不避讳地说，“一粒种子携带的基因，决定了它的产量和品质，谁能够破解基因的密码，谁就占领了育种的制高点”。

　　破译大豆育种密码，首先要收集材料，建立基因资源的“蓄水池”。

　　科研团队在世界范围内选取了5个有代表性的二倍体多年生野生大豆品种和1个自然形成的异源四倍体多年生野生大豆，进行全基因组测序，综合利用二代、三代、Hi-C等测序技术，组装得到了染色体级别的高质量参考基因组，首次构建了多年生野生大豆泛基因组，并鉴定出109827个多年生大豆中的非冗余基因位点，发现其中约70%的基因位点在一年生大豆亚属中丢失，这为大豆育种提供了丰富的遗传多样性基础。

　　此外，团队还鉴定出183个大片段基因组结构变异，这些变异影响着大豆开花时间、抗病性、抗逆性等重要的表型特征。

　　“结构变异是指基因在染色体空间结构上出现倒位、异位等现象，可能对基因的表达或功能产生影响。”张大健解释说，“准确解析这些结构变异对于显著提高大豆产量、改良大豆品质等农艺性状具有重要意义”。

　　该成果在《自然—植物》发表后，大豆遗传育种学家孔凡江评价，这一研究不仅解析了大豆进化历程，而且高效准确挖掘了大豆基因组的结构变异，为大豆的遗传基础解析、驯化性状调控基因挖掘及大豆种质创新提供重要的数据支撑。

　　新品种带来农民增收新希望

　　大豆要高产，品种是核心。

　　经过调研和分析，团队将下一步的目标锁定为利用“定制化”分子育种，培育高产和耐盐碱大豆。

　　“黄河三角洲每年新淤土地约3万亩，尚有约280余万亩盐碱地待开发利用，利用生物技术手段改良大豆抗盐碱能力，创造出耐盐新种质（系），培育出耐盐新品种具有广阔的产业化前景。”张大健说。

　　想要做好育种工作，足够多的种质资源尤为重要。

　　张大健带领团队收集黄淮海地区内野生大豆种质资源，筛选了1000多份大豆材料，利用形态标记和DNA分子标记进行遗传多样性分析，通过主成分分析和聚类分析，揭示了黄淮海区域内野生大豆的分布状况、遗传结构及亲缘关系，最终得到显著耐盐碱大豆种质材料36份、高产种质材料21份，建立起黄淮海区域野生大豆核心种质库，为育种研发提供了样本。

　　根据野生大豆核心种质库的信息，张大健团队与全国最大的大豆种业公司联合攻关，选育出两个适宜黄淮海地区种植的高产、高油、耐盐碱的大豆新品种——“山豆1号”和“山豆2号”。

　　目前，这两个大豆品种均已开始进行山东省夏大豆区域试验。经田间种植“考验”，产量远超当前我国大豆平均亩产。豆子颗粒饱满，出油量大，试种的农民心里乐开了花。

　　一粒新种子的出现，往往意味着更高的产量和更好的经济效益。张大健算了笔账：高产抗逆的大豆新品种大面积推广后，预计正常种植条件下，产量能提高10%；而盐碱地种植条件下，大豆产量能提高10-15%。以每亩产120公斤大豆估算，按约30%的未开发盐碱地种植大豆，预计每年收获约18万吨大豆，按每公斤8元计算，可给农民带来约14.4亿元的收入。

　　寒来暑往，科研工作者的艰辛付出自不待说。张大健说，从事大豆育种的那一天起，他就像所有育种人一样，把培育优质高产品种当作自己的核心目标，为中国大豆增产，为中国农民增收，是他一直努力的动力。