北京時(shí)間11月11日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表了題為《全球3,366 份鷹嘴豆種質(zhì)的遺傳變異圖譜》的研究，通過對(duì)鷹嘴豆全球種質(zhì)資源開展大規(guī)模基因組測(cè)序和分析，加深了我們對(duì)于鷹嘴豆的認(rèn)識(shí)，也推動(dòng)了鷹嘴豆的育種實(shí)踐。

Nature網(wǎng)站截圖

該研究由全球11個(gè)國(guó)家和地區(qū)的41個(gè)組織的相關(guān)研究人員共同完成，由國(guó)際半干旱熱帶作物研究中心牽頭，對(duì)來(lái)自世界范圍內(nèi)的3,171個(gè)栽培種質(zhì)和195個(gè)野生種質(zhì)進(jìn)行了全基因組測(cè)序，首次組裝得到了鷹嘴豆的泛基因組（pan-genome），其中包含1,582 個(gè)未發(fā)現(xiàn)的鷹嘴豆新基因。

利用本研究中構(gòu)建的泛基因組，研究團(tuán)隊(duì)繪制了包含各類大尺度的序列結(jié)構(gòu)變異和拷貝數(shù)變異的遺傳變異圖譜。以此為基礎(chǔ)構(gòu)建的鷹嘴豆遺傳變異數(shù)據(jù)庫(kù)CicerSeq（https://cegresources.icrisat.org/cicerseq/）是迄今為止最大的鷹嘴豆全球遺傳多樣性數(shù)據(jù)庫(kù)，覆蓋了全球當(dāng)前已經(jīng)搜集整理的大約八萬(wàn)份所有鷹嘴豆種質(zhì)中的核心部分。

國(guó)際半干旱熱帶作物研究中心作物加速改良研究計(jì)劃主任，該研究項(xiàng)目負(fù)責(zé)人拉吉夫-瓦爾什尼（ Rajeev Varshney） 教授說：“這項(xiàng)研究提供了鷹嘴豆遺傳變異的完整圖譜，是非常重要的資源，這些資源讓我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)鷹嘴豆，也提供了更高效的鷹嘴豆改良路線圖?！?/p>

本研究構(gòu)建了一個(gè)較為完善的鷹嘴豆泛基因組（圖a所示，隨著測(cè)序個(gè)體增加，泛基因組大小趨于飽和），并得到了迄今最為廣泛的鷹嘴豆遺傳變異圖譜（圖b所示，8條鷹嘴豆染色體上分布的各種類型遺傳變異）。

研究團(tuán)隊(duì)利用此大規(guī)?；蚪M數(shù)據(jù)集，闡釋了鷹嘴豆的起源和馴化。大約12,600年前，人工培育的鷹嘴豆與其野生祖先 Cicer reticulatum 分化，早期馴化過程中的遺傳瓶頸持續(xù)了大約1000年，隨后鷹嘴豆從馴化地往多個(gè)地區(qū)擴(kuò)散開來(lái)。該研究從全基因組數(shù)據(jù)確認(rèn)了鷹嘴豆從新月沃地起源，進(jìn)而分兩條路徑分別擴(kuò)散到南亞和東非，以及地中海地區(qū)（可能通過土耳其）、黑海和中亞（直至阿富汗）。

通過對(duì)3,000多份鷹嘴豆基因組數(shù)據(jù)分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了同地理區(qū)域?qū)?yīng)的幾個(gè)主要群體（如圖a和b所示），也進(jìn)一步闡釋了從發(fā)源地新月沃地到南亞和東非（如圖c和圖d所示），以及中亞和地中海（如圖e和圖f所示）的兩條擴(kuò)散途徑。

研究團(tuán)隊(duì)基于大規(guī)模的基因組數(shù)據(jù)進(jìn)一步闡釋了基因組輔助育種方法在鷹嘴豆上的應(yīng)用和實(shí)踐。通過栽培鷹嘴豆和野生祖先 C. reticulatum的比較分析，研究人員發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致作物品種衰減的有害基因，而深入分析地方品種，研究人員鑒定得到了決定鷹嘴豆的產(chǎn)量、氣候適應(yīng)性、種子特性等重要農(nóng)藝性狀的優(yōu)勢(shì)單倍型。

進(jìn)一步地，針對(duì)16個(gè)重要農(nóng)藝性狀，研究人員提出了三種基于全基因組數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)方法來(lái)預(yù)測(cè)鷹嘴豆的生產(chǎn)能力，并證明了這些方法可以提高“百粒重”這一個(gè)關(guān)鍵的產(chǎn)量性狀，并預(yù)測(cè)增加 12% 到 23%。因此，無(wú)論是避開導(dǎo)致品種衰減的基因型，整合優(yōu)勢(shì)基因型，還是全基因組選育方法，都正在成為鷹嘴豆育種實(shí)踐中的高效手段。

在位于印度海德拉巴的國(guó)際半干旱熱帶作物研究中心種植多個(gè)鷹嘴豆品種。（圖片由國(guó)際半干旱熱帶作物研究中心提供）

對(duì)于鷹嘴豆的既有研究相對(duì)缺乏，但是利用大規(guī)模全基因組數(shù)據(jù)，以及以此為基礎(chǔ)的分子標(biāo)記輔助育種和全基因組育種方法的快速建立，實(shí)際上已經(jīng)加速了鷹嘴豆的育種實(shí)踐?；蚪M資源對(duì)于加快作物改良計(jì)劃中的遺傳收益至關(guān)重要?？梢哉f，鷹嘴豆的遺傳育種借助大規(guī)模的基因組數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了“彎道超車”，從2013年構(gòu)建首個(gè)鷹嘴豆的參考基因組開始，不斷深入的基因組研究成就了鷹嘴豆實(shí)現(xiàn)超越的“新賽道”。

華大基因研究員，該文章通訊作者劉心總結(jié)到：“非常榮幸華大能夠參與到鷹嘴豆基因組項(xiàng)目這樣的國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃中。從2013年第一個(gè)鷹嘴豆參考基因組發(fā)表開始，我們合作開展了一系列基因組研究，都是建立在前期種質(zhì)資源搜集和性狀調(diào)查基礎(chǔ)上，利用大規(guī)模測(cè)序平臺(tái)和生物信息分析平臺(tái)完成的，我們也在開展進(jìn)一步的基因組研究。鷹嘴豆的基因組研究，及其推動(dòng)的育種實(shí)踐，為更多作物的改良指明了方向，也為糧食安全問題的解決提供了新的解決方案?！?/p>

自2013起，華大參與的一系列鷹嘴豆基因組研究和標(biāo)志性成果?；诨蚪M數(shù)據(jù)的育種方法，進(jìn)一步推動(dòng)了鷹嘴豆育種實(shí)踐的發(fā)展，已經(jīng)輔助國(guó)際半干旱熱帶作物研究中心育成了多個(gè)鷹嘴豆品種（新品種的種子照片由國(guó)際半干旱熱帶作物研究中心提供）。