683份核心種質(zhì)繪制普通菜豆圖譜

文/李 晨

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。12月23日，《自然—遺傳學(xué)》以長(zhǎng)文形式發(fā)表了683份普通菜豆資源全基因組重測(cè)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(xiàng)工作由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)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(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外6家科研單位共同完成。論文通信作者、作科所研究員王述民告訴記者：“我們團(tuán)隊(duì)利用現(xiàn)代測(cè)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(kù)，為培育高產(chǎn)與抗病的普通菜豆提供了寶貴的遺傳資源。然后，我們通過全基因組關(guān)聯(lián)分析鑒定到一系列可靠的關(guān)聯(lián)位點(diǎn)/基因，為普通菜豆的分子育種提供了大量關(guān)鍵性狀的準(zhǔn)確標(biāo)記選擇依據(jù)，加速普通菜豆分子的育種進(jìn)程?！?/p>

可以當(dāng)糧食的豆科作物

根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，普通菜豆全世界年種植面積約為3650萬公頃，總產(chǎn)約3140萬噸，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(yíng)養(yǎng)元素豐富等特點(diǎn)，是人類十分重要的植物蛋白質(zhì)來源。普通菜豆每100克籽粒蛋白質(zhì)含量為20—30克，是小麥含量的2倍，玉米含量的4倍；脂肪含量卻很低，是大豆含量的1/20，玉米含量的1/5，是小麥含量的一半，人體易于吸收，可大量食用，且可當(dāng)主食；淀粉含量中等，略低于小麥、玉米等。同時(shí)，普通菜豆富含豐富的礦物元素，每100克含鉀1406毫克，是小麥含量的3.5倍、玉米含量的4.5倍；葉酸394毫克，是小麥含量的9倍，玉米含量的16倍。論文共同通信作者、美國(guó)田納西州州立大學(xué)教授Matthew Blair介紹，普通菜豆是發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)家普遍食用，同時(shí)也能為解決貧困地區(qū)營(yíng)養(yǎng)匱乏和人類生存繁衍發(fā)揮巨大作用。在我國(guó)，根據(jù)食用器官的不同，把普通菜豆劃分為兩大類。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蕓豆或干菜豆，以食用嫩莢為主的稱之莢用菜豆或四季豆。而他們這項(xiàng)工作的研究對(duì)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(guó)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(guó)糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，我國(guó)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(guó)之一。普通菜豆也是我國(guó)主要的出口創(chuàng)匯商品之一。“我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事普通菜豆種質(zhì)資源的收集、引進(jìn)、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(kù)和中美基因庫(kù)，包括野生種、地方種和現(xiàn)代育成品種?！坝捎谖覈?guó)對(duì)普通菜豆種質(zhì)資源的遺傳研究起步較晚，對(duì)現(xiàn)有種質(zhì)資源研究不足，鑒定不夠，導(dǎo)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(guó)普通菜豆的育種和產(chǎn)業(yè)發(fā)展?！蔽渚г诮邮苊襟w采訪時(shí)說，隨著植物基因組學(xué)的快速發(fā)展，普通菜豆兩個(gè)基因庫(kù)的代表性材料也于2014年和2016年先后完成全基因組序列的測(cè)定，這為利用基因組學(xué)了解我國(guó)普通菜豆種質(zhì)資源的遺傳基礎(chǔ)提供了新的契機(jī)。在這種背景下，項(xiàng)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(jìn)行篩選，構(gòu)建核心種質(zhì)，開展表型和基因型鑒定，擬在全基因組層面對(duì)我國(guó)庫(kù)存種質(zhì)資源的遺傳背景進(jìn)行深度剖析，以提升種質(zhì)資源利用效率，促進(jìn)普通菜豆產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效提供科技支撐。

重測(cè)序鑒定大量基因位點(diǎn)

“我們擁有很多種質(zhì)資源，但怎樣深入研究這些資源？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(tuán)隊(duì)多年來思考的問題。目前，我國(guó)種質(zhì)庫(kù)保存有6500余份普通菜豆種質(zhì)資源。如何從中選取能夠代表群體多樣性的資源開展深入研究？首先，通過對(duì)資源的地理來源、已有表型等數(shù)據(jù)的分析，他們精挑細(xì)選了1000份種質(zhì)資源，分別在黑龍江省哈爾濱市、河南省南陽(yáng)市、貴州省畢節(jié)市和海南省三亞市試種。武晶說，這4個(gè)地方北至北緯45度，南至北緯18度，光照周期時(shí)間長(zhǎng)短差異明顯。“有些南美品種的菜豆無法適應(yīng)東北的氣候，不能開花、結(jié)果?！彪S后，他們?cè)僖罁?jù)各地80%的資源能夠獲得表型數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，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—2016年，連續(xù)3年，分別在上述4個(gè)地點(diǎn)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(gè)表型的精準(zhǔn)鑒定。王述民說，這個(gè)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(gè)、現(xiàn)代育成種154個(gè)，來源于我國(guó)20個(gè)省、市、自治區(qū)以及阿根廷、巴西、厄瓜多爾、墨西哥等18個(gè)國(guó)家。

在獲取連續(xù)3年不同光熱條件下的683份核心種質(zhì)的表型精準(zhǔn)鑒定數(shù)據(jù)的同時(shí)，王述民還帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行大規(guī)模的針對(duì)普通菜豆個(gè)體的基因組重測(cè)序工作?！皢魏塑账岫鄳B(tài)性（SNP）反映的是DNA 水平上的堿基變化，這些變化決定著物種個(gè)體的差異。”論文共同第一作者、作科所研究員付俊杰解釋道，利用第二代高通量基因組測(cè)序技術(shù)，他們對(duì)包含683份種質(zhì)資源的核心種質(zhì)進(jìn)行了全基因組重測(cè)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(gè)單核苷酸多態(tài)性的高密度、精確的單倍型圖譜?！翱梢哉f普通菜豆的大部分基因型變異都包含在這個(gè)基因圖譜里了。”付俊杰說。值得注意的是，由于這些普通菜豆個(gè)體來源于不同緯度的種植環(huán)境，而且歷經(jīng)3年試驗(yàn)，所以他們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?；诖?，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(gè)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(yàn)證是與籽粒特性相關(guān)的基因，暗示了在人工改良過程中，籽粒性狀相關(guān)基因受到選擇?！斑@也正是不同國(guó)家、地區(qū)的民眾對(duì)不同籽粒的喜好與需求不同所導(dǎo)致，揭示了人類在普通菜豆籽粒大小形成進(jìn)化中的重要作用?！蔽渚дf，全基因組關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，與籽粒性狀和生育期等性狀相關(guān)的位點(diǎn)，恰好位于人工改良馴化的區(qū)間之內(nèi)，成功揭示了人工選擇對(duì)基因組的影響。此外，通過全基因組關(guān)聯(lián)分析，他們共鑒定到505個(gè)涉及開花期、生長(zhǎng)習(xí)性、籽粒特性、病蟲害等性狀的位點(diǎn)，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(hào)染色體末端是一個(gè)多性狀基因富集區(qū)域?！稗r(nóng)藝性狀的全基因組關(guān)聯(lián)分析為進(jìn)一步開展高產(chǎn)、抗逆育種提供了大量的基因位點(diǎn)信息。”王述民說。