普通菜豆是全球種植范圍最廣、栽培面積最大、食用人群最多的食用豆類。日前，《自然—遺傳學》以長文形式發(fā)表了683份普通菜豆資源全基因組重測序結(jié)果分析，以及普通菜豆最大規(guī)模的主要農(nóng)藝性狀表型鑒定結(jié)果。該項工作由中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所（以下簡稱作科所）特色農(nóng)作物優(yōu)異種質(zhì)資源發(fā)掘與創(chuàng)新利用團隊聯(lián)合國內(nèi)外6家科研單位共同完成。
“團隊利用現(xiàn)代測序技術(shù)系統(tǒng)闡釋了普通菜豆種質(zhì)資源的遺傳多樣性，構(gòu)建了規(guī)模最大、表型數(shù)據(jù)最完整、基因信息量最多的表型和基因型變異數(shù)據(jù)庫，為培育高產(chǎn)與抗病的普通菜豆提供了寶貴的遺傳資源。”論文通訊作者、作科所研究員王述民告訴《中國科學報》，“通過全基因組關(guān)聯(lián)分析，我們鑒定到一系列可靠的關(guān)聯(lián)位點/基因，為普通菜豆的分子育種提供了大量關(guān)鍵性狀的準確標記選擇依據(jù)，將加速普通菜豆分子育種進程。”
可做糧食的豆科作物
根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計，普通菜豆全世界年種植面積約為3.65千萬公頃，總產(chǎn)約3.14千萬噸，約占食用豆類總產(chǎn)量的50%，僅次于豆科作物大豆。
論文第一作者、作科所副研究員武晶介紹，普通菜豆是豆科作物，具有高蛋白、中淀粉、低脂肪、營養(yǎng)元素豐富等特點，是人類十分重要的植物蛋白質(zhì)來源。
論文共同通訊作者、美國田納西州立大學教授Matthew Blair介紹，普通菜豆是發(fā)達國家和地區(qū)調(diào)節(jié)膳食結(jié)構(gòu)的重要食品，在歐美等眾多國家普遍食用，同時也能為解決貧困地區(qū)營養(yǎng)匱乏和人類生存繁衍發(fā)揮巨大作用。
在我國，根據(jù)食用器官的不同，普通菜豆被劃分為兩大類。論文共同第一作者、作科所副研究員王蘭芬介紹，以食用籽粒為主的稱之為蕓豆或干菜豆，以食用嫩莢為主的稱之為莢用菜豆或四季豆。而他們這項工作的研究對象主要是以食用籽粒作糧食用途的普通菜豆。
籽粒用普通菜豆在我國主要分布于黑龍江西北部、云南大部、貴州大部、四川涼山、陜西北部、山西北部、新疆北部、內(nèi)蒙古涼城等地區(qū)。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計，我國年播種面積約80.7萬公頃，年平均產(chǎn)量為133萬噸，居世界第五，是世界普通菜豆主要出口國之一，普通菜豆也是我國主要的出口創(chuàng)匯商品之一。
本底不清限制普通菜豆育種
“我們團隊長期從事普通菜豆種質(zhì)資源的收集、引進、鑒定等工作，已收集保存有6500余份種質(zhì)資源。”王述民介紹，這些資源來源于安第斯基因庫和中美基因庫，包括野生種、地方種和現(xiàn)代育成品種。“由于我國對普通菜豆種質(zhì)資源的遺傳研究起步較晚，對現(xiàn)有種質(zhì)資源研究不足、鑒定不夠，導致這些寶貴資源的遺傳本底不清、難以被育種家有效利用，在一定程度上限制了我國普通菜豆的育種和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。”
武晶在接受《中國科學報》采訪時說，普通菜豆兩個基因庫的代表性材料于2014年和2016年先后完成全基因組序列的測定，這為利用基因組學了解我國普通菜豆種質(zhì)資源的遺傳基礎(chǔ)提供了新的契機。
在此背景下，項目組從2012年開始在現(xiàn)存種質(zhì)資源中依據(jù)已有數(shù)據(jù)進行篩選，構(gòu)建核心種質(zhì)，開展表型和基因型鑒定。
四地三年683份資源精準表型鑒定
“我們擁有很多種質(zhì)資源，但如何深入研究這些資源？能不能為育種家提供一些有用的科研基礎(chǔ)？”這是王述民團隊多年來思考的問題。
首先，基于對資源的地理來源、已有表型等數(shù)據(jù)的分析，他們從6500余份普通菜豆種質(zhì)資源中，精挑細選了1000份種質(zhì)資源，分別在黑龍江哈爾濱、河南南陽、貴州畢節(jié)和海南三亞試種。隨后，他們再依據(jù)各地80%的資源能夠獲得表型數(shù)據(jù)的標準，遴選出683份普通菜豆種質(zhì)資源，以此構(gòu)建核心種質(zhì)。2014年至2016年，連續(xù)3年，研究人員分別在上述四個地點開展基本農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量性狀、病蟲害、籽粒特性等20余個表型的精準鑒定。
王述民說，這個核心種質(zhì)代表了75%的現(xiàn)有普通菜豆種質(zhì)資源的遺傳多樣性，包括地方種529個、現(xiàn)代育成種154個，來源于我國20個省、市、自治區(qū)，以及阿根廷、巴西、厄瓜多爾、墨西哥等18個國家。
重測序鑒定大量基因位點
在獲取683份核心種質(zhì)表型精準鑒定數(shù)據(jù)的同時，王述民還帶領(lǐng)團隊進行了大規(guī)模的針對普通菜豆個體的基因組重測序工作。
論文共同第一作者、作科所研究員付俊杰說，利用第二代高通量基因組測序技術(shù)，他們對包含683份種質(zhì)資源的核心種質(zhì)進行了全基因組重測序，分析了普通菜豆種質(zhì)資源的基因組變異，構(gòu)建了首張包含480萬個SNP的高密度、精確的單倍型圖譜。“可以說，普通菜豆的大部分基因型變異都包含在這個基因圖譜里了。”
研究團隊還獲得了目前為止普通菜豆最大規(guī)模的表型數(shù)據(jù)，為育種家提供了豐富的種質(zhì)資源表型數(shù)據(jù)信息，提升了種質(zhì)資源的利用效率。
基于此，他們發(fā)現(xiàn)了一些重要結(jié)論。例如，通過比較分析地方種和現(xiàn)代育成種的多樣性，他們共鑒定出171個人工改良選擇區(qū)域，候選基因包括轉(zhuǎn)錄因子和抗病蛋白等，其中已有基因被驗證是與籽粒特性相關(guān)的基因，暗示在人工改良過程中，籽粒性狀相關(guān)基因受到選擇。
此外，通過全基因組關(guān)聯(lián)分析，他們共鑒定到505個涉及開花期、生長習性、籽粒特性、病蟲害等性狀的位點，特別是籽粒性狀、開花期等性狀在較大環(huán)境差異下遺傳穩(wěn)定性好。而1號染色體末端是一個多性狀基因富集區(qū)域。
“農(nóng)藝性狀的全基因組關(guān)聯(lián)分析為進一步開展高產(chǎn)、抗逆育種提供了大量的基因位點信息。”王述民說。
