2024年4月22日，农学院张明方教授团队联合浙江省农业科学院李国景团队在国际遗传学顶级期刊《自然遗传学》（Nature Genetics；IF5=37.5）发表了 “Differential selection of yield and quality traits has shaped genomic signatures of cowpea domestication and improvement” 的研究论文。随着全球气候变化、人口增长和农业可持续发展等问题日益加剧，富含蛋白质、具有固氮效应的豆类作物在保障全球粮食安全、绿色生产和人类营养健康方面扮演着越来越重要且独特的角色。豇豆起源于非洲，在非洲和亚洲地区分别被驯化出粮用豇豆和菜用豇豆两个栽培亚种。粮用豇豆耐旱、耐贫瘠、富含蛋白质但豆荚短、产量低，是非洲撒哈拉地区发展中国家人民的主要粮食作物；菜用豇豆嫩荚营养丰富、豆荚长、丰产性高，在我国和东南亚地区普遍栽培，是亚洲十大蔬菜作物之一。长期的驯化和改良导致二者在豆荚长度、裂荚性、抗性、产量和品质等性状上产生明显的分化，但不同豇豆亚种驯化与改良的基因组选择特征和性状形成的遗传机制尚不清楚。该研究揭示了豇豆驯化与改良的基因组选择印迹，阐明了伴随着豇豆产量和品质协同提升，抗逆抗病性能逐渐丢失的部分遗传学证据，为粮用豇豆和菜用豇豆的未来双向分子改良提供了基因组工具。该研究成果有望为缓解地球人口持续增加导致的非洲等发展中国家食物和营养安全问题提供基因组育种新策略。研究团队首先组装了粮用豇豆和菜用豇豆高质量基因组（图1），基于比较基因组研究发现了亚种间大量的基因组结构变异，在菜用豇豆基因组鉴定到主要与细胞生长和分化过程中胞膜重建有关在糖鞘脂通路上的特异扩张基因，可能与该亚种的超长豆荚生长发育和伸长有关；同时发现了粮用豇豆特异扩张的基因主要富集在与该亚种碳水化合物积累、抗病抗逆性相关的能量生产与转运通路上。

图1 菜用豇豆和粮用豇豆亚种高质量基因组解析

该研究揭示了豇豆亚种之间基因组水平上的遗传进化关系，发现豇豆种质可以清晰地区分为粮用豇豆、菜用豇豆地方品种和菜用豇豆育成品种三个亚群（图2a-d），并结合GWAS和选择性清除分析挖掘到与驯化和改良相关的基因组印迹信号和重要基因／遗传位点，构建了从粮用豇豆-菜用豇豆地方品种-菜用豇豆育成品种的驯化与改良过程中涉及耐旱、抗病和产量相关性状的基因组变异图谱（图2e）。

图2 豇豆亚群结构分析与驯化-改良进程的基因组选择特征

研究进一步发现豆荚落粒性、荚长、单荚籽粒数等产量相关性状，以及嫩荚可溶性糖和总淀粉含量、籽粒总淀粉含量等品质相关性状在豇豆驯化与改良进程中受到强烈的人工选择。从粮用豇豆到菜用豇豆，荚长、单荚籽粒数和嫩荚可溶性糖、籽粒淀粉与籽粒粗蛋白含量受到持续的正向选择，而落粒性、千粒重、籽粒可溶性糖含量及一些抗病抗逆位点逐步丢失；粮用豇豆的驯化与改良主要涉及籽粒大小和籽粒品质性状，而菜用豇豆的驯化与改良主要集中在荚长和嫩荚品质性状。根据驯化和改良的基因组选择特征，通过全基因组选择在菜用豇豆上进一步聚合荚长、单荚粒数、嫩荚可溶性糖等位点的有利等位变异，同时从粮用豇豆中定向引入一些抗病、抗逆相关的有利等位变异，有望实现菜用豇豆产量、品质、高抗（逆/病）性状的协同提升；同样在粮用豇豆上，通过聚合千粒重、籽粒可溶性糖含量、籽粒淀粉含量等位点的有利等位变异，同时从菜用豇豆中精准引入荚长、单荚粒数等有利等位变异，有望实现粮用品种在高产优质性状的突破。该研究成果为豇豆品质、产量、抗逆（病）性状的协同精准改良提供了基因组育种路线图（图3）。

图3 豇豆驯化与改良的基因组遗传与变异路线图

浙江省农业科学院吴新义副研究员和我所胡仲远副教授为论文共同一作，浙江省农业科学院李国景研究员和我所张明方教授为共同通讯作者。本研究工作获得浙江省重点研发计划、浙江省育种专项、中央高校基本科研业务费等计划的联合资助。该研究成果充分发挥了浙江省农业科学院豇豆种质资源研究领域与浙江大学农学院植物功能基因组学领域的技术人才优势，双方优势互补、协同攻关，成为校院合作成功的典范。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41588-024-01722-w