摘要本文概述了磷的生理作用、磷资源利用现状、磷资源的研究进展，分析大豆及其它植物的磷效率，通过QTL定位分析研究大豆中与耐低磷性状相关的主效基因，从而为大豆育种提供理论依据。
论文关键词：大豆,磷效率,磷高效基因型,QTL定位分析
大豆原产我国，现世界各地均有栽培，是主要的农作物之一。其种子富含蛋白质、脂肪，除用以榨油还可以加工成各种豆制品，深受人们喜爱。但我国大豆产量相对于发达国家较低，通过培育优良品种可以提高我国大豆产量，笔者就此问题作简单的探讨。
1 磷的生理作用
磷是植物生长发育不可缺少的营养元素之一，它是核酸、核蛋白、磷脂、激素、磷酸腺苷等许多有机物的构成成分，同时又以多种方式参与作物体内的生理过程，包括糖类代谢、碳水化合物的运输、含氮化合物代谢及脂肪代谢等，对作物生长发育、抗逆性、产量与品质都起着重要作用。
2 磷资源利用现状
通常人们通过增施磷肥来提高土壤的含磷量，然而磷肥施入土壤后，由于其特定的土壤化学性质，大部分很快被土壤胶体吸附或固定，难于被作物吸收，因而利用效率不高。因此，提高作物对磷肥的利用效率对提高农业经济效益、保护环境具有重要意义。
磷是农业生产的重要物质保障，又是不可再生的矿物质资源。有报道指出，根据目前已探明的磷矿储量与开采速度，世界现有磷矿资源只能维持50 ～400 年。中国的磷资源只占世界磷资源的1.1%，可开发的磷矿只有1 亿吨，按照目前开采速度，这些磷矿仅够开采约25 年( Cat hcart ,1979)，然而，世界绝大部分农业土壤又严重缺磷。据报道，全世界13.19 亿公顷的耕地中大约有43%缺磷[1]。我国1.07 亿公顷农田中大约有60%缺磷[2]，磷仍然是我国乃至世界农业生产中最重要的限制因素，磷肥的供求不仅是现在而且是将来农业生产的突出矛盾之一。
另外，由于与大豆共生的根瘤菌具有固氮的能力，磷往往成为限制大豆的生长及产量最重要的关键元素，研究大豆对磷的利用，具有重大的现实意义。
3 磷资源的研究进展
作物不同基因型对磷素吸收利用差异的研究，国外研究开展得较早，不仅对耐低磷的机理做了大量的工作，而且对其遗传规律也进行了研究。我国对作物耐低营养胁迫基因型的发掘和筛选工作开展较晚，但进展较快，作物和营养元素的研究范围较广。
磷是植物体内参与很多生理生化过程的元素，其营养效率的生理生化基础相当复杂，并且受到环境因素的影响，是由多基因控制的数量性状。
磷高效基因型是指在磷胁迫条件下能比其它基因型获得较高产量的品种。作物磷效率包括两方面，即磷吸收效率（植物吸收介质中磷的能力）和磷利用效率（作物对体内磷的利用能力）。有研究表明磷的高效吸收与其高效利用有密切的关系(Ming等，2000)。
不同植物类型间磷效率的表现存在的较大差异，很早就已引起人们的注意。 Ae 等对多种作物耐低磷特性的研究发现，木豆通常比高粱、玉米、大豆等更耐磷胁迫。植物的磷效率差异不仅表现在不同的物种间，而且更重要的是，相同物种的不同品种也存在着效率的遗传变异，这就为这一遗传性状的开发应用提供了重要的经济价值及利用潜力。Clark 和Brown 发现富磷土壤上磷高效与磷低效品种玉米干物质产量相近，但缺磷条件下磷高效品种干物质产量高于磷低效品种。Bruetsch 的研究结果表明玉米早熟品种通常比晚熟品种吸收积累更多的磷，但晚熟品种的磷利用效率高于早熟品种。蚕豆品种(系)间磷利用效率存在明显差异，在缺磷条件下，不同蚕豆品种的干物质产量差异达72%，磷利用效率差异达77%。
近年来发展起来的分子标记技术使得人们有可能将复杂的数量性状进行分解，与研究质量性状基因一样将控制数量性状的多个基因分别进行研究。随着植物遗传作图的快速发展，相关成果也应用于植物营养效率的基因型差异研究上。
目前已经有大量的研究在生理层次上探讨了植物磷营养效率与根系形态、生理、生化以及共生特性的相互关系。通过对磷高效吸收生理学中级指标的研究发现，与磷相关的性状中根系的相关性状最为重要。赵静[3]等应用GIS方法构建了大豆磷效率的应用核心种质，并对大豆种质的重要根系性状根构型进行了系统的评价和对比分析，结果揭示了大豆根构型与磷效率的关系及其可能的进化规律。研究发现大豆根构型与磷效率密切相关，浅根型大豆根系具有合理的三维空间分布，有利于大豆对耕层土壤磷的吸收，从而显著提高了大豆的磷效率和产量。王应祥[4]等通过营养液栽培试验研究大豆适应低磷胁迫的机理，结果表明：在水培条件下，大豆在磷效率方面存在着显著的基因型差异。在总体磷效率(以生物量为标准)方面和磷吸收效率(整株含磷量)方面，结果与田间试验表现基本一致。
在此基础上，植物磷高效营养的分子生物学研究也已经展开。QTL定位为研究如耐低磷这样复杂的数量性状的遗传学提供了一个好的途径。水稻在这方面研究的比较早，自九十年代，有关水稻的耐低磷的QTL定位已有报道。在一个BC群体中，定位了三个与总干重相关的QTL位点，5个与磷吸收相关的QTL位点，贡献值分别为45.4%和54.5%。使用标记C443发现在12号染色体上存在一个主效基因(Wissuwa, 1998)。通过进一步研究发现，使用标记S14025和S13126将一个与磷吸收相关的主要QTL位点定位在一个3cM的空白区，与经典QTL图谱上的距离在1cM之内(Wissuwa, 2002)。使用标记RG9 and RG241和RFLP技术，将与耐低磷性状相关的另一个主要QTL位点(PHO)定位在12号染色体上。还有一些微效的QTL定位在1号染色体，6号染色体及9号染色体上(Ni,1998)。Ming等(2000)使用RFLP标记将与根干重、地上部分干重和总干重相关性状的QTL定位在第6号染色体上，贡献率分别为24.9%、 20.5%和25.2%。其中与磷吸收相关的两个QTL的贡献率达到20.7%。
从20世纪90年代起，有关大豆的遗传图谱被构建起来(Shoemaker，1995；Keim， 1997；Zhang，1997；Cregan，1999；Liu，2000；Wu，2001；Wang，2003；Zhang，2004)，一些与大豆农艺性状相关的QTL定位已有报道(Lark，1995；Tasma，2001；Specht，2001；Hoecka，2003；Zhang，2004)，然而，在大豆基因组中，基因控制与磷相关性状的分析还比较少。李一丹在考查了NJRIKY的116个株系在低磷和适磷条件下7个农艺性状包括：株高(HT)、地上部分鲜重(FSW)、根系鲜重(FRW)、根系干重(DRW)、根长(RL)、叶中磷含量(LP)、根中磷含量(RP)，在应用大豆RIL群体(Kefeng No. l XNannong1138-2)所构建的遗传图谱的基础上，用复合区间作图法定位了大豆耐低磷性状的QTL位点。使用Windows QTL Cartographer程序分析了耐低磷性状的QTL。在F1和F2连锁群中，共检测到7个QTL位点，有5个QTL位点定位于F2连锁群上，两个定位于连锁群F1上。并定位了地上部分鲜重(FSW)、根中磷含量(RP)和叶中磷含量(LP)三个性状的QTL位点，其中有5个QTL位点的LOD值>3。所有QTL位点都可以解释超过10%的总遗传变异，其中与叶中磷含量相关的两个QTL最大可以解释超过20%的遗传变异[5]。因此推测，大豆中与耐低磷性状相关的主效基因可能定位于F连锁群上。
4 科学和实践意义
通过研究大豆种质中育种核心种质耐低磷特性进行评价，并对其性状进行定位。将使大豆研究工作开拓新的研究领域，通过营养过程诠释大豆高产和稳产问题，促进大豆育种水平升级。
主
参考文献
[1]刘建中. 1994.利用植物自身潜力提高土壤中磷的生物有效性[J].生态农业研究，2：5~8
[2]鲁如坤. 1998.土壤——植物营养学原理和施肥[M].北京：化学工业出版社
[3]赵静,付家兵,董英山,严小龙. 2004.大豆磷效率应用核心种质的根构型性状评价.科学通报,49（13）：1249~1257
[4]王应祥,廖红,严小龙. 2003.大豆适应低磷胁迫的机理初探.大豆科学,22（3）：208~212
[5]李一丹.大豆（Glycine max L. Merr.）耐低磷相关性状的QTL分析.东北农业大学硕士论文
OTL的提出：Geldermann 在1975年抽提出数量性状位点QTLs（quantitative trait locus）的侠义义概念，认为QTLs是对占据染色体某一区段数量性状位点的变异有较大影响效应的单一基因或紧密连锁的基因簇。OTL的提出为研究数量性状单基因作用及其互作效应，以及建立在此基础上的遗传分析模型的应用提供了理论依据，为动物育种方案的实施开辟了新途径。借助分子标记－OTL的连锁关系来实现真正的基因型选择，可以提高对动物主要经济性状的选育，从而提高选育的效率。理想的遗传标记应具备的条件为：（1）高度多态，以保证个体或系在每一个基因位点上携带不同的等位基因。（2）种类丰富，以保证足够多的标记覆盖整个基因组。（3）对所研究的数量性状，繁殖适应性都呈中性。（4）最好是共显性，以保证标记基因位点上所有的基因型都可明显区分。
QTL检测的方法：目前借助分子生物学技术进行QTL检测的方法主要有2类：一类是标记－OTL连锁分析（mark－QTL linkage analysis），也称为基因组扫描（genome scanning）；另一类是候选基因分析（candidate gene approach）。标记－OTL连锁分析是基于遗传标记座位等位基因与QTL等位基因之间的连锁不平衡关系，通过对遗传标记从亲代到子代遗传过程的追踪以及它们在群体中的分离与数量性状表现之间的关系的分析，来判断是否有QTL存在，它们在染色体上相对位置以及它们的效应大小，因而这类方法的前提是：1）要有理想的遗传标记。2）要有合适的群体用于进行分析。3）在该群体中存在分离的QTL。候选基因分析是根据已有的生理生化知识以及对复杂数量性状的剖析，来推断哪些基因可能参与了性状的形成，预先选定一些基因（称为候选基因），通过分子生物学实验检测这些基因及其分子标记对特定数量性状的效应，筛选出对数量性状有影响的基因和分子标记，并估计出它们对数量性状的效应值，最后在分子生物学水平证实基因的变异能否带来真实的表型变异。候选基因法费用低，操作简单，便于在标记辅助选择（MMS）中应用，但在无法预先确定候选基因的情况下，标记－OTL连锁分析是最常用的方法。
QTL定位的策略：利用QTL与遗传标记之间的连锁关系。在一个大群体中进行标记基因型和被测数量性状表型值记录，通过统计方法进行连锁分析，确定连锁关系。其基本步骤为：1）选择适宜的遗传标记；2）选择在所研究数量性状上处于分离状态的纯系或高度近交系；3）进行系间杂交获得分离世代的F2个体或者进行回交获得BC个体；许多学者根据不同群体的遗传特性，分别提出了相应的座位与QTL相互关联的检测方法，所涉及到的群体包括：近交系间分离群体、异交系间分离群体、加倍单倍体（DH）群体、2个近交系间的重组近交系（RIL）、一粒传群体（SSD）、单倍体群体等。4）检测各世代群个体的标记基因型并记录其数量性状表型值；5）分析标记基因型与数量性状表型值之间是否存在连锁关系，确定QTL连锁群，估计QTL效应。
QTL定位就是采用类似单基因定位的方法将QTL定位在遗传图谱上，确定QTL与遗传标记间的距离（以重组率表示）。根据标记数目的不同，可分为单标记、双标记和多标记；根据统计分析方法的不同，可分为方差与均值分析法、回归及相关分析法、矩估计及最大似然法等；根据标记区间数可分噗零区间作图、单区间作图和多区间作图。此外，还有将不同方法结合起来的综合分析方法，如QTL复合区间作图（CIM）、多区间作图（MIM）、多QTL作图、多性状作图（MTM）等等。从目前的研究来看，有关QTL作图方法的研究进展较快，不断有学者提出新的改进方法，就目前来讲，有许多QTL作图方法还未被遗传学研究工作者普遍接受，主要是由于有的方法计算太复杂，或者检测QTL的效力和精度不够理想。目前应用较为广泛的是Lander 和Botstein倡导的区间作图法，该方法比较成熟。
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