優化臺灣毛豆種原核心收集選拔及探勘重要性狀關鍵基因發佈日期：2024/01/02
實施期間起迄
113年01月02日~113年12月31日執行單位
高崇峰副教授 / 國立中興大學農藝學系執行成果
毛豆又稱蔬菜用大豆，與大豆 [Glycine max (L.) Merr.] 屬同一物種，收穫於豆莢飽滿且籽粒翠綠的R6生育期。由於毛豆富含蛋白質、胺基酸、維生素、礦物質等成分 (Ebert et al., 2017)，在健康意識日漸抬頭，毛豆於國內外市場上逐漸發掘出自身定位與價值。在臺灣，農業部農業試驗所國家作物種原中心收集且保存了大量的國內育種品系及國外種原，這些收集系 (accessions) 來自農業試驗所、亞洲蔬菜研究發展中心、國立中興大學、國立嘉義大學等臺灣農業研究單位。其中大多收集系來自於日本，而日本種原與中國、美國之品系有相異的遺傳背景 (Kaga et al., 2012)，說明臺灣毛豆種原保存了獨特且有育種價值的遺傳基礎。由於特定的栽培需求、大豆與毛豆在生產上之權衡取捨問題，毛豆種原的收集與保存相當不易。近年來各國建立了許多作物種原庫，生物學家與育種家該如何從巨量的資料中有效地獲取知識及有用資訊成為了一項挑戰。Frankel (1984) 首先發表了種原核心收集 (core collection) 的概念，他將其定義為能夠展現出完整種原 (entire collection) 最大歧異度 (diversity) 與最少冗餘 (redundancy) 之最小收集系組合。本研究期望從臺灣毛豆種原中選拔能夠最大保存原始種原歧異度 (diversity) 及代表性 (representation)，同時兼顧種原豐富度 (richness) 及均勻度 (evenness) 的種原收集系作為核心收集。
本研究一共使用了107個毛豆收集系與其47項外表型性狀資料，該資料由國家作物種原中心收集與保存。種原來源國包含日本 (約占57%)、臺灣 (約占22%) 及其他七個國家 (圖一、表一)。各收集系連續四年在高雄區農業改良場之試驗田區進行秋作並記錄其外表型性狀。由於本研究使用之毛豆種原外表型性狀資料有不同程度的缺失值，為了降低缺失值對種原分群分析及核心收集之建立的影響，本研究針對外表型性狀資料缺失值之處理，將種原資料透過多重插補法估算外表型缺失值，建立完整種原資料。接著利用PowerCore軟體以進階M策略 (advance M-strategy) 建立完整種原資料的核心收集。再進一步對個別與整體性狀進行差異性檢定、分群分析、歧異度指數與指標等計算以評估核心收集的代表性。
47項外表型性狀資料缺失率介於0%-78.5%，其中11項為無缺失 (0%)、18項為輕度缺失 (小於30%)、9項為中度缺失 (大於30~60%)、9項為高度缺失 (大於60%)，本研究僅保留缺失率小於30%之29項性狀與107份種原納入後續缺失值插補處理、核心種原建立等分析。此29項性狀整體缺失率為10.8% (圖二)，且缺失多為完全隨機缺失或隨機缺失，應可利用多重插補法處理性狀缺失資料。
經多重插補法處理後的種原資料，在不改變毛豆表型性狀資料原有結構及資料間的共變關係下，重複估計表型缺失值原本可能的面貌與共變結構。這份完整的種原性狀資料讓我們能夠一窺種原間複雜的族群結構，探勘親緣關係。這有助於選拔具潛力及代表性之毛豆核心收集系。k-means分群法與主成分分析結果顯示，毛豆種原分群結果可分成五個子群集 (subpopulations)，且前三個主成分可解釋近90%之性狀資料 (圖三)。
本研究透過PowerCore軟體，從完整種原中選擇出具有代表性與最大覆蓋率 (coverage) 的毛豆核心收集，並深入探索核心種原的親本背景與遺傳價值，作為未來研究與應用的依據。分析結果顯示27個毛豆核心種原 (表二) 可代表107個毛豆收集系之性狀分佈，核心種原亦均勻分佈在各個子群集 (圖四、表三)。此外，核心種原亦呈現出原始種原的代表性，僅有兩項性狀達到統計上顯著差異 (圖五、圖六)，顯示該核心收集能維持原始種原之族群結構。經過完整種原與核心收集之個別性狀歧異度比較後，發現共有個24 (83%) 外表型性狀之歧異度被保留 (retained) 於核心收集中，5個性狀之歧異度有損失 (lost)。結果顯示PowerCore軟體建立之核心收集能有效保留原始種原的遺傳變異。
本研究建立的27個毛豆核心種原來自五個地區，包含日本、臺灣、菲律賓、南韓以及香港 (表四)。本研究進一步從公開資料庫與論文檢索平台探索核心種原價值，研究發現核心種原中包含KG0085、KG0086等高價值種原，這些種原在臺灣毛豆育種歷史中曾多次被用作親本進行雜交育種 (表二)，為關鍵的遺傳資源 (周國隆，2007)，顯示核心收集策略有利於種原篩選與保存。總結而言，我們已利用多重插補法能夠解決外表型數據缺失並從完整種原中有效地選取核心收集，對未來種原庫中親本篩選提供基礎。
成果照片
