鷹嘴豆是世界第三大豆類作物，被超過50個國家種植和食用，具有重要的經(jīng)濟價值和營養(yǎng)價值；同時，鷹嘴豆的固氮能力還能改善土壤肥力，具有獨特的生態(tài)價值。然而，由于歷史上的進化瓶頸，導致鷹嘴豆的遺傳背景相對狹窄、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，華大生命科學研究院聯(lián)合國際半干旱熱帶作物研究中心、西澳大學、莫道克大學等單位，成功組裝了8個一年生鷹嘴豆屬野生種（以下簡稱“野生種”）的基因組，并結(jié)合已發(fā)表的2個鷹嘴豆基因組，構(gòu)建了超級泛基因組，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》（Nature Genetics）。

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Nature Genetics官網(wǎng)截圖

研究組裝的8個高質(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個重要的基因池，并推斷了基因池之間的分歧時間。

8個一年生鷹嘴豆屬野生種基因組的基本統(tǒng)計信息

研究項目負責人、澳大利亞莫道克大學國家農(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，將極大推動鷹嘴豆育種領(lǐng)域在澳大利亞乃至全球的進步?！?/p>

研究揭示，鷹嘴豆屬超級泛基因組由24827個基因家族組成。其中，14748個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、DNA修復、細胞通信等基本生物功能；6212個基因家族為可變基因，它們存在于鷹嘴豆屬的2-8個物種中，主要參與防御響應、生長素響應、生物刺激響應等生物功能。

此外，研究團隊還鑒定出鷹嘴豆屬內(nèi)存在的2944萬個單核苷酸多態(tài)性（SNPs）、633萬個小插入缺失（InDels）和491937個結(jié)構(gòu)變異（SVs）。通過將鑒定出的結(jié)構(gòu)變異整合到參考基因組中，進而挖掘了477個鷹嘴豆屬個體中的變異多樣性。

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

論文第一作者、國際半干旱熱帶作物研究中心高級科學家阿米爾·汗（Aamir W. Khan）認為：“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上，挖掘農(nóng)藝學性狀相關(guān)的重要基因，有望推動鷹嘴豆品種的進一步遺傳育種改良?！?/p>

從2013年構(gòu)建首個鷹嘴豆參考基因組開始，拉吉夫·瓦爾什尼（Rajeev Varshney）團隊就持續(xù)與華大合作開展相關(guān)研究，并不斷深入。對于此次研究，他表示：“很高興與華大及其他合作者共同開展鷹嘴豆屬超級泛基因組。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、開花時間和抗逆性等性狀?！?/p>

文章通訊作者、華大生命科學研究院劉心研究員總結(jié)道：“從2013年開始，持續(xù)十多年的科學合作和科研產(chǎn)出，彰顯了‘共有、共為、共享’的全球合作的價值和意義。一系列基因組學研究將推動鷹嘴豆的育種改良，同時為其他作物的改良、應對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