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大豆(GlycinemaxL.Merr.,2n=2×=40)是全世界上必不可少的食品和油料作物。在大豆驯化和改良过程中，自然与人工选择导致野生大豆和地方品种，以及地方品种和育成品种之间的驯化与改良性状存在差异。因此，挖掘控制种子大小和形状性状的基因，对了解大豆驯化与改良具有十分重要的意义。
虽然野生大豆和地方品种，以及地方品种和育成品种之间的种子大小和形状不同，但是这些驯化和改良性状的QTNs及其候选基因信息是十分有限的。为了解决这一问题，本研究利用14份野生大豆、153份地方品种和119份育成品种共286份大豆材料，在10个环境中鉴定了种子大小和形状7个性状的表型，利用简化基因组测序获得了106013个高质量SNPs标记基因型，通过遗传多样性分析和多位点关联分析，以鉴定大豆种子大小和形状性状的驯化和改良QTNs及其候选基因。首先，采用XP-CLR方法对286份大豆种质SNP信息进行分析，以确定选择区间；其次，通过6种多位点GWAS方法检测种子大小与形状性状的显著QTNs，将这些QTNs与本研究和前人获得的选择区间进行比较，以获得驯化和改良QTNs；第三，在每个驯化和改良QTN的100kb范围内，鉴定驯化和改良候选基因。在种子发育的早期和中期，对大豆各个品种进行高表达和差异表达分析，以选择候选驯化基因(CDGs)和候选改良基因(CIGs)。为了证实这些候选基因，研究了野生大豆、地方品种和育成品种等位基因频率差异，并挖掘了LOF功能和UTR变异。更重要地，我们用这些CDGs和CIGs来解释野生大豆和地方品种，以及地方品种和育成品种之间种子大小和形状性状差异；最后，利用本研究鉴定的种子大小和形状性状QTNs的优良等位基因来预测最优杂交组合。其主要研究结果如下：
1.方差分析结果表明，野生大豆、地方品种和育成品种之间的种子大小与形态性状存在显著差异，这表明存在大豆演化。正交对比分析表明，野生大豆与地方品种之间，以及地方品种与育成品种之间的种子大小和形状的F检验差异显著(F值介于5.94~214.29之间)。利用多基因方差和误差方差估计值，种子大小和形状性状的广义遗传率在60.36~98.17(%)之间，这意味着286份大豆种质存在遗传变异。
2.通过六种多位点GWAS方法，将上述286份大豆种质七个性状表型值和BLUP值与54950个SNP标记进行关联，结果表明，共检测到1748个和331个显著QTNs。在1748个QTNs中，412、403、418、291、260、278和303个QTNs分别与SL、SW、ST、100-SW、SLT、SLW和SWT显著关联，其LOD值和PVE值分别介于3.00~38.72和1.16E-09~23.38(%)之间。在331个BLUP值的QTNs中，65、75、74、71、50、45和38个QTNs分别与上述性状显著关联，其LOD值和PVE值分别介于3.00~26.26和5.25E-07~16.05之间。在上述1799个QTN中，1382个QTNs是前人发现的，417是新发现的。
3.将上述1799个QTNs与所有952个CDRs和538个CIRs进行比较，发现245个QTNs(或簇)和187个QTNs(或簇)分别位于CDRs和CIRs中。在245和187个QTNs周围100kb范围内，共有5376个基因。为了获得的候选基因，使用了7个种子发育阶段的转录组数据进行分析，结果表明，有2513个基因在种子R4-R7发育阶段高表达。
4.利用前人的302份大豆种质基因型数据，鉴定野生大豆和地方品种，以及地方品种和育成品种之间的等位基因频率有显著差异的SNPs。结果表明，在1667个潜在候选驯化基因与1383个潜在候选改良基因中，发现1602和790个基因的SNP等位基因频率有显著差异，并将这些SNPs注释为LOF和UTR变异。利用两个野生大豆、两个地方品种和两个育成品种在开花后15、25、35和55天后的基因表达水平，对UTR变异基因进行差异表达分析，结果表明，有1227个潜在候选驯化基因和361个潜在候选改良基因。在RNA-seq、KEGG富集和种子大小性状的miRNA标靶等进一步分析中，共发现73个CDGs和36个CIGs。在73个CDGs和36个CIGs中，前人证实12个CDGs和12个CIGs与种子大小/重量相关，61个CDGs和24个GISs是新发现的。通过两种野生大豆(W05和PI483463)和一种地方大豆品种(Williams82)的参考基因组，验证了CDGs中的SNP变异，而CIGs的SNP变异通过地方品种Williams82和栽培大豆中黄13的参考基因组来证实的。
5.利用上述驯化和改良基因解释了野生大豆与地方品种，以及地方品种与育成品种之间的种子大小不与形状性状差异。首先，位于CDGs和CIGs附近的驯化和改良QTNs等位基因在100-SW中表现显著差异。与野生大豆相比，地方大豆品种中驯化QTNs的SW增加等位基因的比例显着提高；相似地，改良QTNs的SW增加等位基因的频率从地方品种到栽培/育成品种之间也是显著增加的；其次，CDGs和CIGs中的LOF突变涉及SNP突变，进而产生氨基酸变异，这些突变可能导致蛋白质功能的改变或丧失，这可能是产生种子性状差异的原因。16个CDGs和8个改良基因拥有LOF突变。相似地，46个CDGs和19个CIGs的UTR中SNPs等位基因频率分别在野生大豆和地方品种之间，以及地方品种和育成品种之间表现出显著差异，这可能会影响转录。此外，11个CDGs和3个CIGs可能与miRNAs作用，这些miRNAs可能参与基因表达转录后调控。最后，在拟南芥中，CDGs和CIGs同源基因参与了种子大小/重量和发育。然而，1个CDGs(Glyma20g34360)和两个CIGs(Glyma02g47030和Glyma05g33340)编码未知蛋白，但是，在本研究中，这3个基因被鉴定为这些种子性状的候选基因。
6.SL、SW、ST、100-SW、SLT、SLW和SWT的优良等位基因数分别为101、108、106、92、76、55和50。在286份大豆种质中，上述7个性状的优良等位基因数分别在8~97、13~89、12~97、10~72、5~46、4~35和5~32之间。基于上述优良等位基因信息，预测了每个性状最佳的5个杂交组合，例如，德清香珠豆×雅畈早豆或许可以改良种子大小，晋豆3号×黑河54可能会改变种子大小和形状性状。
本研究为系统地鉴定大豆驯化和改良基因，及其优异等位变异提供了新框架。因此，本研究为性状遗传基础、标记辅助选择、杂种亲本预测以及种子性状的功能基因组学研究提供了有用信息。
虽然野生大豆和地方品种，以及地方品种和育成品种之间的种子大小和形状不同，但是这些驯化和改良性状的QTNs及其候选基因信息是十分有限的。为了解决这一问题，本研究利用14份野生大豆、153份地方品种和119份育成品种共286份大豆材料，在10个环境中鉴定了种子大小和形状7个性状的表型，利用简化基因组测序获得了106013个高质量SNPs标记基因型，通过遗传多样性分析和多位点关联分析，以鉴定大豆种子大小和形状性状的驯化和改良QTNs及其候选基因。首先，采用XP-CLR方法对286份大豆种质SNP信息进行分析，以确定选择区间；其次，通过6种多位点GWAS方法检测种子大小与形状性状的显著QTNs，将这些QTNs与本研究和前人获得的选择区间进行比较，以获得驯化和改良QTNs；第三，在每个驯化和改良QTN的100kb范围内，鉴定驯化和改良候选基因。在种子发育的早期和中期，对大豆各个品种进行高表达和差异表达分析，以选择候选驯化基因(CDGs)和候选改良基因(CIGs)。为了证实这些候选基因，研究了野生大豆、地方品种和育成品种等位基因频率差异，并挖掘了LOF功能和UTR变异。更重要地，我们用这些CDGs和CIGs来解释野生大豆和地方品种，以及地方品种和育成品种之间种子大小和形状性状差异；最后，利用本研究鉴定的种子大小和形状性状QTNs的优良等位基因来预测最优杂交组合。其主要研究结果如下：
1.方差分析结果表明，野生大豆、地方品种和育成品种之间的种子大小与形态性状存在显著差异，这表明存在大豆演化。正交对比分析表明，野生大豆与地方品种之间，以及地方品种与育成品种之间的种子大小和形状的F检验差异显著(F值介于5.94~214.29之间)。利用多基因方差和误差方差估计值，种子大小和形状性状的广义遗传率在60.36~98.17(%)之间，这意味着286份大豆种质存在遗传变异。
2.通过六种多位点GWAS方法，将上述286份大豆种质七个性状表型值和BLUP值与54950个SNP标记进行关联，结果表明，共检测到1748个和331个显著QTNs。在1748个QTNs中，412、403、418、291、260、278和303个QTNs分别与SL、SW、ST、100-SW、SLT、SLW和SWT显著关联，其LOD值和PVE值分别介于3.00~38.72和1.16E-09~23.38(%)之间。在331个BLUP值的QTNs中，65、75、74、71、50、45和38个QTNs分别与上述性状显著关联，其LOD值和PVE值分别介于3.00~26.26和5.25E-07~16.05之间。在上述1799个QTN中，1382个QTNs是前人发现的，417是新发现的。
3.将上述1799个QTNs与所有952个CDRs和538个CIRs进行比较，发现245个QTNs(或簇)和187个QTNs(或簇)分别位于CDRs和CIRs中。在245和187个QTNs周围100kb范围内，共有5376个基因。为了获得的候选基因，使用了7个种子发育阶段的转录组数据进行分析，结果表明，有2513个基因在种子R4-R7发育阶段高表达。
4.利用前人的302份大豆种质基因型数据，鉴定野生大豆和地方品种，以及地方品种和育成品种之间的等位基因频率有显著差异的SNPs。结果表明，在1667个潜在候选驯化基因与1383个潜在候选改良基因中，发现1602和790个基因的SNP等位基因频率有显著差异，并将这些SNPs注释为LOF和UTR变异。利用两个野生大豆、两个地方品种和两个育成品种在开花后15、25、35和55天后的基因表达水平，对UTR变异基因进行差异表达分析，结果表明，有1227个潜在候选驯化基因和361个潜在候选改良基因。在RNA-seq、KEGG富集和种子大小性状的miRNA标靶等进一步分析中，共发现73个CDGs和36个CIGs。在73个CDGs和36个CIGs中，前人证实12个CDGs和12个CIGs与种子大小/重量相关，61个CDGs和24个GISs是新发现的。通过两种野生大豆(W05和PI483463)和一种地方大豆品种(Williams82)的参考基因组，验证了CDGs中的SNP变异，而CIGs的SNP变异通过地方品种Williams82和栽培大豆中黄13的参考基因组来证实的。
5.利用上述驯化和改良基因解释了野生大豆与地方品种，以及地方品种与育成品种之间的种子大小不与形状性状差异。首先，位于CDGs和CIGs附近的驯化和改良QTNs等位基因在100-SW中表现显著差异。与野生大豆相比，地方大豆品种中驯化QTNs的SW增加等位基因的比例显着提高；相似地，改良QTNs的SW增加等位基因的频率从地方品种到栽培/育成品种之间也是显著增加的；其次，CDGs和CIGs中的LOF突变涉及SNP突变，进而产生氨基酸变异，这些突变可能导致蛋白质功能的改变或丧失，这可能是产生种子性状差异的原因。16个CDGs和8个改良基因拥有LOF突变。相似地，46个CDGs和19个CIGs的UTR中SNPs等位基因频率分别在野生大豆和地方品种之间，以及地方品种和育成品种之间表现出显著差异，这可能会影响转录。此外，11个CDGs和3个CIGs可能与miRNAs作用，这些miRNAs可能参与基因表达转录后调控。最后，在拟南芥中，CDGs和CIGs同源基因参与了种子大小/重量和发育。然而，1个CDGs(Glyma20g34360)和两个CIGs(Glyma02g47030和Glyma05g33340)编码未知蛋白，但是，在本研究中，这3个基因被鉴定为这些种子性状的候选基因。
6.SL、SW、ST、100-SW、SLT、SLW和SWT的优良等位基因数分别为101、108、106、92、76、55和50。在286份大豆种质中，上述7个性状的优良等位基因数分别在8~97、13~89、12~97、10~72、5~46、4~35和5~32之间。基于上述优良等位基因信息，预测了每个性状最佳的5个杂交组合，例如，德清香珠豆×雅畈早豆或许可以改良种子大小，晋豆3号×黑河54可能会改变种子大小和形状性状。
本研究为系统地鉴定大豆驯化和改良基因，及其优异等位变异提供了新框架。因此，本研究为性状遗传基础、标记辅助选择、杂种亲本预测以及种子性状的功能基因组学研究提供了有用信息。