2024年4月22日，農(nóng)學(xué)院張明方教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院李國(guó)景團(tuán)隊(duì)在國(guó)際遺傳學(xué)頂級(jí)期刊《自然遺傳學(xué)》（Nature Genetics）發(fā)表了題為“Differential selection of yield and quality traits has shaped genomic signatures of cowpea domestication and improvement”的研究論文。
隨著全球氣候變化、人口增長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等問(wèn)題日益加劇，富含蛋白質(zhì)、具有固氮效應(yīng)的豆類(lèi)作物在保障全球糧食安全、綠色生產(chǎn)和人類(lèi)營(yíng)養(yǎng)健康方面扮演著越來(lái)越重要且獨(dú)特的角色。豇豆起源于非洲，在非洲和亞洲地區(qū)分別被馴化出糧用豇豆和菜用豇豆兩個(gè)栽培亞種。糧用豇豆耐旱、耐貧瘠、富含蛋白質(zhì)但豆莢短、產(chǎn)量低，是非洲撒哈拉地區(qū)發(fā)展中國(guó)家人民的主要糧食作物；菜用豇豆嫩莢營(yíng)養(yǎng)豐富、豆莢長(zhǎng)、豐產(chǎn)性高，在我國(guó)和東南亞地區(qū)普遍栽培，是亞洲十大蔬菜作物之一。長(zhǎng)期的馴化和改良導(dǎo)致二者在豆莢長(zhǎng)度、裂莢性、抗性、產(chǎn)量和品質(zhì)等性狀上產(chǎn)生明顯的分化，但不同豇豆亞種馴化與改良的基因組選擇特征和性狀形成的遺傳機(jī)制尚不清楚。
該研究揭示了豇豆馴化與改良的基因組選擇印跡，闡明了伴隨著豇豆產(chǎn)量和品質(zhì)協(xié)同提升，抗逆抗病性能逐漸丟失的部分遺傳學(xué)證據(jù)，為糧用豇豆和菜用豇豆的未來(lái)雙向分子改良提供了基因組工具。該研究成果有望為緩解地球人口持續(xù)增加導(dǎo)致的非洲等發(fā)展中國(guó)家食物和營(yíng)養(yǎng)安全問(wèn)題提供基因組育種新策略。研究團(tuán)隊(duì)首先組裝了糧用豇豆和菜用豇豆高質(zhì)量基因組（圖1），基于比較基因組研究發(fā)現(xiàn)了亞種間大量的基因組結(jié)構(gòu)變異，在菜用豇豆基因組鑒定到主要與細(xì)胞生長(zhǎng)和分化過(guò)程中胞膜重建有關(guān)在糖鞘脂通路上的特異擴(kuò)張基因，可能與該亞種的超長(zhǎng)豆莢生長(zhǎng)發(fā)育和伸長(zhǎng)有關(guān)；同時(shí)發(fā)現(xiàn)了糧用豇豆特異擴(kuò)張的基因主要富集在與該亞種碳水化合物積累、抗病抗逆性相關(guān)的能量生產(chǎn)與轉(zhuǎn)運(yùn)通路上。
圖1 菜用豇豆和糧用豇豆亞種高質(zhì)量基因組解析
該研究揭示了豇豆亞種之間基因組水平上的遺傳進(jìn)化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)豇豆種質(zhì)可以清晰地區(qū)分為糧用豇豆、菜用豇豆地方品種和菜用豇豆育成品種三個(gè)亞群（圖2a-d），并結(jié)合GWAS和選擇性清除分析挖掘到與馴化和改良相關(guān)的基因組印跡信號(hào)和重要基因／遺傳位點(diǎn)，構(gòu)建了從糧用豇豆-菜用豇豆地方品種-菜用豇豆育成品種的馴化與改良過(guò)程中涉及耐旱、抗病和產(chǎn)量相關(guān)性狀的基因組變異圖譜（圖2e）。
圖2 豇豆亞群結(jié)構(gòu)分析與馴化-改良進(jìn)程的基因組選擇特征
研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)豆莢落粒性、莢長(zhǎng)、單莢籽粒數(shù)等產(chǎn)量相關(guān)性狀，以及嫩莢可溶性糖和總淀粉含量、籽粒總淀粉含量等品質(zhì)相關(guān)性狀在豇豆馴化與改良進(jìn)程中受到強(qiáng)烈的人工選擇。從糧用豇豆到菜用豇豆，莢長(zhǎng)、單莢籽粒數(shù)和嫩莢可溶性糖、籽粒淀粉與籽粒粗蛋白含量受到持續(xù)的正向選擇，而落粒性、千粒重、籽?？扇苄蕴呛考耙恍┛共】鼓嫖稽c(diǎn)逐步丟失；糧用豇豆的馴化與改良主要涉及籽粒大小和籽粒品質(zhì)性狀，而菜用豇豆的馴化與改良主要集中在莢長(zhǎng)和嫩莢品質(zhì)性狀。根據(jù)馴化和改良的基因組選擇特征，通過(guò)全基因組選擇在菜用豇豆上進(jìn)一步聚合莢長(zhǎng)、單莢粒數(shù)、嫩莢可溶性糖等位點(diǎn)的有利等位變異，同時(shí)從糧用豇豆中定向引入一些抗病、抗逆相關(guān)的有利等位變異，有望實(shí)現(xiàn)菜用豇豆產(chǎn)量、品質(zhì)、高抗（逆/?。┬誀畹膮f(xié)同提升；同樣在糧用豇豆上，通過(guò)聚合千粒重、籽?？扇苄蕴呛俊⒆蚜５矸酆康任稽c(diǎn)的有利等位變異，同時(shí)從菜用豇豆中精準(zhǔn)引入莢長(zhǎng)、單莢粒數(shù)等有利等位變異，有望實(shí)現(xiàn)糧用品種在高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)性狀的突破。該研究成果為豇豆品質(zhì)、產(chǎn)量、抗逆（病）性狀的協(xié)同精準(zhǔn)改良提供了基因組育種路線(xiàn)圖（圖3）。
圖3 豇豆馴化與改良的基因組遺傳與變異路線(xiàn)圖
浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院吳新義副研究員和浙江大學(xué)胡仲遠(yuǎn)副教授為論文共同一作，浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院李國(guó)景研究員和浙江大學(xué)張明方教授為共同通訊作者。本研究工作獲得浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、浙江省育種專(zhuān)項(xiàng)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等計(jì)劃的聯(lián)合資助。該研究成果充分發(fā)揮了浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院豇豆種質(zhì)資源研究領(lǐng)域與浙江大學(xué)農(nóng)學(xué)院植物功能基因組學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)人才優(yōu)勢(shì)，雙方優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)同攻關(guān)，成為校院合作成功的典范。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41588-024-01722-w
