Nature Commun | 中国农科院作科所牵头完成饭豆高质量基因组及性状遗传解析

责编 | 王一

2022年9月29日，中国农业科学院作物科学研究所联合北京市农林科学院、广西农业科学院、泰国农业大学、江苏农业科学院等国内外多家单位在Nature Communications上以长文的形式发表了题为Genomic analyses of rice bean landraces reveal adaptation and yield related loci to accelerate breeding的研究论文。该研究完成了直立型饭豆“FF25”高质量基因组组装和解析，揭示了饭豆的进化地位；基于440份地方品种的全基因组数据，明确了饭豆地理起源，解析了群体遗传多样性和遗传结构；结合多年多点表型数据和全基因组关联分析，鉴定出多个与开花期、生长习性、籽粒大小等重要性状相关的主效位点和候选基因，发掘了一批集直立矮生、高产、熟期一致等优良性状于一体的潜在育种亲本材料；相关研究结果对未来饭豆育种改良具有重要参考价值和指导作用，同时也为豇豆属其他作物的育种研究提供了很好的优异基因来源。

饭豆（Vigna umbellata） ，俗称赤小豆、米豆、爬山豆，是豇豆属中的一个栽培种。与近缘种绿豆、小豆、豇豆等相比，饭豆具有高产、高抗病虫、耐逆性好等更多优势，是有效应对气候变化却在现代农业生产中被忽视的潜力作物 【1】 。饭豆还具有健脾去湿、消肿利尿等药用价值，是传统中药的组成部分。但是，作为小众豆种，饭豆是典型的“亚洲作物”，主要分布在中国南方及东南亚各国，遗传育种研究也相对落后。研究表明，大部分饭豆地方品种光温反应敏感，且有蔓生、炸荚等不利因素，严重影响该作物的大面积生产及引种利用 【2】 。目前我国饭豆种质资源保存量有3000份左右，位居世界第一。这些种质资源中优异基因的发掘和利用，将对饭豆及其近缘种的品种选育具有重要的推动作用，然而由于缺乏饭豆高质量基因组和精细物理图谱，阻碍了其重要性状的遗传解析和优异基因的进一步挖掘利用 【3】 。

图1. 饭豆高质量参考基因组及其基因组特征分布。

图2. 饭豆进化地位分析

研究团队选取了直立型红饭豆“FF25” （图1） ，采用三代单分子测序，辅以Hi-C挂载的策略，组装出迄今为止连续性最高的豇豆属基因组 （FF25基因组大小为525.6 Mb，Contig N50为18.26 Mb，LAI为20.30） 。结合多种证据，共注释出26,736个高置信度蛋白质编码基因，且有98.86%的基因具有功能注释。基于这些高质量基因，研究人员鉴定到饭豆与其他15个物种间的334个单拷贝基因，构建了豇豆属系统发育树，结果显示饭豆与小豆 （Vigna angularis） 的亲缘关系最近，大约在1.75个百万年前分化。Ks分析发现饭豆无近期基因组加倍事件 （WGD） 发生。该参考基因组的发布为研究豇豆属进化提供了宝贵数据资源，也为探索饭豆起源驯化和重要性状基因克隆奠定了基础。

图3. 饭豆地方种群体遗传结构和多样性分析

为了进一步确定饭豆的起源地及群体遗传结构，研究人员对国内外两个核心种质共440份地方品种进行高深度 （> 20×） 全基因组重测序 （图3） 。基于SNP多态性变异信息的系统发育分析显示，440份地方种的遗传背景与地理来源一致，可分为三个遗传组，即南亚和东南亚组 （SSA） ，中国南方组 （SC） 和中国北方组 （NC） 。核酸多样性 （π） 和连锁不平衡 （LD） 分析均显示SSA组的遗传多样性最丰富，从全基因组水平支撑了南亚和东南亚地区为饭豆起源地的假说 【4】 。

图4. 饭豆开花期主效位点鉴定及其聚合效应探究

作为短日照植物，饭豆对光周期变化较为敏感，低纬度品种在长日照条件下开花推迟，甚至不开花，而高纬度品种在短日照条件下开花提前，可能导致营养生长不够、产量低，这些问题极大限制了饭豆在不同纬度间的传播和利用。因此，解析饭豆开花期调控机理，有助于培育广适性饭豆品种。为此，研究人员首先分析了不同地理组之间 （SSA vs. SC；SSA vs. NC；SC vs. NC） 的遗传分化，并对组间的分化基因 （1,894, 1,950和1,296个分化基因） 进行了MapMan富集，结果显示这些分化基因在“光周期节律通路”上显著富集。为了更全面的解析饭豆的光周期适应性机制，还利用全基因组关联分析，结合多年多点开花期数据，鉴定出三个不同的主效QTL和候选基因 （PRR3b，FT，FUL） ，进一步分析发现这三个QTL基因型的不同组合在高、低纬度区的开花期存在显著差异 （图4） ，故可以作为培育广适性品种的高效分子标记。

图5. 饭豆生长习性主效位点鉴定及其优异育种材料挖掘

除光周期敏感外，蔓生也是阻碍饭豆向高纬度发展的障碍。对440份饭豆核心种质的分析发现超过85%的地方种在北京夏播表现蔓生。基于InDel的GWAS分析，研究人员鉴定到一个位于TFL1基因第一个外显子上的2-nt缺失，使TFL1基因翻译提前终止 （图5） 。440份核心种质中共发现32份地方种具有纯合的2-nt缺失，而这些地方种全部来自中国中南地区-湖北、湖南、重庆、贵州和广西相邻五省。群体结构和分化 （FST） 分析发现这32份地方种与其他南方地方种也具有显著的遗传分化，MSMC和SMC++分析进一步发现这两类群体的分歧时间在大约200年前。同样，这些地方种在开花期、分枝数、粒长和百粒重方面均显著优于其他南方地方种，表明这32份种质大约200年前受到了当地农民的选择或改良，可以作为未来育种的优良亲本材料。

图6. 饭豆粒型主效位点鉴定及候选基因功能验证

饭豆总状花序上花荚比较密集，具有明显的高产潜力，可以作为其他豇豆属作物育种的高产基因资源，然而饭豆高产的遗传基础尚未有报道。研究人员基于两年两点的粒长、百粒重等数据和SNP-GWAS分析，发现一个位于9号染色体的主效QTL，并结合多种实验证据证明CYP78A6基因的串联重复变异导致其表达量显著升高，引起粒长和粒重增加 （图6） 。

总之，研究人员首次组装了饭豆高质量参考基因组，构建了饭豆地方品种的变异图谱，揭示了饭豆起源驯化、群体遗传结构与重要性状的遗传基础，鉴定了一批具有优良农艺性状的育种材料，为饭豆进化分析、基因挖掘、种质创新和育种改良等提供了重要借鉴和宝贵资源。

中国农业科学院作物科学研究所官健涛博士 （现工作于中国农业科学院蔬菜花卉研究所） 和已毕业硕士张金涛、公丹为论文的共同第一作者。中国农业科学院作物科学研究所王丽侠研究员和北京市农林科学院生物技术研究所谢华研究员为论文的共同通讯作者。此外，广西壮族自治区农业科学院水稻研究所、江苏农业科学院经济作物研究所、泰国农业大学等国内外多家单位也参与了该项工作。 饭豆基因组研究得到了科技部国家重点研发计划 、国家食用豆产业技术体系 、作物种质资源保护 、中国农业科学院创新工程 和第三次全国农作物普查 等项目的支持。

参考文献：

1. Pattanayak, A. et al. Rice bean: a lesser known pulse with well-recognized potential. Planta, 2019, 250:873-890.

2. 张金涛等.不同地理来源饭豆种质生态适应性及表型分析.植物遗传资源学报, 2021, 22(3):674-683.

3. 王丽侠等. 中国饭豆种质资源遗传多样性及核心种质构建. 植物遗传资源学报, 2014, 15(2):242-247.

4. Tian, J. et al. Genetic diversity of the rice bean (Vigna umbellata) genepool as assessed by SSR markers. Genome, 2013, 56:717-727.

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-33515-2