鷹嘴豆是世界第三大豆類(lèi)作物，被超過(guò)50個(gè)國(guó)家種植和食用，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值；同時(shí)，鷹嘴豆的固氮能力還能改善土壤肥力，具有獨(dú)特的生態(tài)價(jià)值。然而，由于歷史上的進(jìn)化瓶頸，導(dǎo)致鷹嘴豆的遺傳背景相對(duì)狹窄、抵抗生物或非生物脅迫的能力不足，限制了它的育種改良。

為助力解決這一難題，近日，華大生命科學(xué)研究院聯(lián)合國(guó)際半干旱熱帶作物研究中心、西澳大學(xué)、莫道克大學(xué)等單位，成功組裝了8個(gè)一年生鷹嘴豆屬野生種（以下簡(jiǎn)稱“野生種”）的基因組，并結(jié)合已發(fā)表的2個(gè)鷹嘴豆基因組，構(gòu)建了超級(jí)泛基因組，為鷹嘴豆育種提供了重要數(shù)據(jù)資源和方向。成果發(fā)表于《自然·遺傳學(xué)》（Nature Genetics）。

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Nature Genetics官網(wǎng)截圖

研究組裝的8個(gè)高質(zhì)量野生種基因組，大小從435Mb到895Mb不等、基因數(shù)從23486到29642不等。通過(guò)基因組共線性和系統(tǒng)發(fā)育分析，發(fā)現(xiàn)可能存在古老的重排事件。研究還發(fā)現(xiàn)鷹嘴豆屬具有3個(gè)重要的基因池，并推斷了基因池之間的分歧時(shí)間。

8個(gè)一年生鷹嘴豆屬野生種基因組的基本統(tǒng)計(jì)信息

研究項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、澳大利亞莫道克大學(xué)國(guó)家農(nóng)業(yè)生物技術(shù)中心主任拉吉夫·瓦爾什尼（Rajeev Varshney）教授表示：“在這項(xiàng)新研究中，鷹嘴豆現(xiàn)存近緣野生種的基因組和特有基因資源，將極大推動(dòng)鷹嘴豆育種領(lǐng)域在澳大利亞乃至全球的進(jìn)步?！?/p>

研究揭示，鷹嘴豆屬超級(jí)泛基因組由24827個(gè)基因家族組成。其中，14748個(gè)基因家族為核心基因，它們存在于鷹嘴豆屬的所有物種，主要參與生長(zhǎng)、DNA修復(fù)、細(xì)胞通信等基本生物功能；6212個(gè)基因家族為可變基因，它們存在于鷹嘴豆屬的2-8個(gè)物種中，主要參與防御響應(yīng)、生長(zhǎng)素響應(yīng)、生物刺激響應(yīng)等生物功能。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還鑒定出鷹嘴豆屬內(nèi)存在的2944萬(wàn)個(gè)單核苷酸多態(tài)性（SNPs）、633萬(wàn)個(gè)小插入缺失（InDels）和491937個(gè)結(jié)構(gòu)變異（SVs）。通過(guò)將鑒定出的結(jié)構(gòu)變異整合到參考基因組中，進(jìn)而挖掘了477個(gè)鷹嘴豆屬個(gè)體中的變異多樣性。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些變異在開(kāi)花時(shí)間和抗病性等重要性狀中可能扮演著重要角色，其中，678個(gè)結(jié)構(gòu)變異與200個(gè)與開(kāi)花相關(guān)的基因重疊、1667個(gè)結(jié)構(gòu)變異與556個(gè)抗病基因（R基因）重疊。

論文第一作者、國(guó)際半干旱熱帶作物研究中心高級(jí)科學(xué)家阿米爾·汗（Aamir W. Khan）認(rèn)為：“不僅僅局限于物種內(nèi)多樣性的挖掘，本研究將野生近緣種這一非常重要的資源納入，可以在更廣泛的基因多樣性基礎(chǔ)上，挖掘農(nóng)藝學(xué)性狀相關(guān)的重要基因，有望推動(dòng)鷹嘴豆品種的進(jìn)一步遺傳育種改良?！?/p>

從2013年構(gòu)建首個(gè)鷹嘴豆參考基因組開(kāi)始，拉吉夫·瓦爾什尼（Rajeev Varshney）團(tuán)隊(duì)就持續(xù)與華大合作開(kāi)展相關(guān)研究，并不斷深入。對(duì)于此次研究，他表示：“很高興與華大及其他合作者共同開(kāi)展鷹嘴豆屬超級(jí)泛基因組。我們的研究發(fā)現(xiàn)，近緣野生種具有更多的遺傳多樣性和變異，可能有助于改善鷹嘴豆的抗病性、開(kāi)花時(shí)間和抗逆性等性狀?！?/p>

文章通訊作者、華大生命科學(xué)研究院劉心研究員總結(jié)道：“從2013年開(kāi)始，持續(xù)十多年的科學(xué)合作和科研產(chǎn)出，彰顯了‘共有、共為、共享’的全球合作的價(jià)值和意義。一系列基因組學(xué)研究將推動(dòng)鷹嘴豆的育種改良，同時(shí)為其他作物的改良、應(yīng)對(duì)氣候變化和糧食安全解決提供解決方案?！?/p>

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41588-024-01760-4

編輯：李麗