基于683份普通菜豆種質資源重測序而獲得的單倍型圖譜。武晶供圖
幾種普通菜豆種質資源。李晨攝
普通菜豆。武晶供圖
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》以長文形式發表了683份普通菜豆資源全基因組重測序結果分析，以及普通菜豆最大規模的主要農藝性狀表型鑒定結果。該項工作由中國農業科學院作物科學研究所（以下簡稱作科所）特色農作物優異種質資源發掘與創新利用團隊聯合國內外6家科研單位共同完成。
論文通訊作者、作科所研究員王述民告訴《中國科學報》：“我們團隊利用現代測序技術系統闡釋了普通菜豆種質資源的遺傳多樣性，構建了規模最大、表型數據最完整、基因信息量最多的表型和基因型變異數據庫，為培育高產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聯分析鑒定到一系列可靠的關聯位點/基因，為普通菜豆的分子育種提供了大量關鍵性狀的準確標記選擇依據，加速普通菜豆分子育種進程。”
可以當糧食的豆科作物
根據聯合國糧農組織統計，普通菜豆全世界年種植面積約為3.65千萬公頃，總產約3.14千萬噸，約占食用豆類總產量的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、營養元素豐富等特點，是人類十分重要的植物蛋白質來源。
普通菜豆每100克籽粒蛋白質含量為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，是大豆的含量的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，且可當主食；淀粉含量中等，略低于小麥、玉米等。同時，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。
論文共同通訊作者、美國田納西州立大學教授Matthew Blair介紹，普通菜豆是發達國家和地區調節膳食結構的重要食品，在歐美等眾多國家普遍食用，同時也能為解決貧困地區營養匱乏和人類生存繁衍發揮巨大作用。
在我國，根據食用器官的不同，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、內蒙古涼城等地區。據聯合國糧農組織統計，我國年播種面積約80.7萬公頃，年平均產量為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匯商品之一。
本底不清限制普通菜豆育種
“我們這個團隊長期從事普通菜豆種質資源的收集、引進、鑒定等工作，已收集保存有6500余份種質資源。”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、地方種和現代育成品種。“由于我國對普通菜豆種質資源的遺傳研究起步較晚，對現有種質資源研究不足，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業發展。”
武晶在接受《中國科學報》采訪時說，隨著植物基因組學的快速發展，普通菜豆兩個基因庫的代表性材料也于2014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資源的遺傳基礎提供了新的契機。
在這種背景下，項目組從2012年開始在現存種質資源中依據已有數據進行篩選，構建核心種質，開展表型和基因型鑒定，擬在全基因組層面對我國庫存種質資源的遺傳背景進行深度剖析，以提升種質資源利用效率，促進普通菜豆產業提質增效提供科技支撐。
四地三年683份資源精準表型鑒定
“我們擁有很多種質資源，但怎么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？”這是王述民團隊多年來思考的問題。
目前，我國種質庫保存有6500余份普通菜豆種質資源。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，通過對資源的地理來源、已有表型等數據的分析，他們精挑細選了1000份種質資源，分別在黑龍江省哈爾濱市、河南省南陽市、貴州省畢節市和海南省三亞市試種。武晶說，這四個地方北至北緯45度，南至北緯18度，光周期時間長短差異明顯。“有些南美品種的菜豆無法適應東北的氣候，不能開花、結果。”
隨后，他們再依據各地80%的資源能夠獲得表型數據的標準，遴選出683份普通菜豆種質資源，以此構建核心種質。2014年~2016年，連續三年，分別在上述四個地點開展基本農藝性狀、產量性狀、病蟲害、籽粒特性等20余個表型的精準鑒定。
王述民說，這個核心種質代表了75%的現有普通菜豆種質資源的遺傳多樣性，包括地方種529個、現代育成種154個，來源于我國20個省、市、自治區，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
在獲取連續三年不同光熱條件下的683份核心種質的表型精準鑒定數據的同時，王述民還帶領團隊進行大規模的針對普通菜豆個體的基因組重測序工作。
“單核苷酸多態性（SNP）反映的是DNA水平上的堿基變化，這些變化決定著物種個體的差異。”論文共同第一作者、作科所研究員付俊杰解釋到，利用第二代高通量基因組測序技術，他們對包含683份種質資源的核心種質進行了全基因組重測序，分析了普通菜豆種質資源的基因組變異，構建了首張包含480萬個單核苷酸多態性的高密度、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。”付俊杰說。
值得注意的是，由于這些普通菜豆個體來源于不同緯度的種植環境，而且歷經三年試驗，所以他們還獲得了目前為止普通菜豆最大規模的表型數據，為育種家提供了豐富的種質資源表型數據信息，提升了種質資源的利用效率。
基于此，他們發現了一些重要結論。例如，通過比較分析地方種和現代育成種的多樣性，他們共鑒定出171個人工改良選擇區域。候選基因包括轉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的基因，暗示了在人工改良過程中，籽粒性狀相關基因受到選擇。
“這也正是不同國家、地區的民眾對不同籽粒的喜好與需求不同所導致，揭示了人類在普通菜豆籽粒大小形成進化中的重要作用。”武晶說，全基因組關聯分析發現，與籽粒性狀和生育期等性狀相關的位點，恰好位于人工改良馴化的區間之內，成功揭示了人工選擇對基因組的影響。
此外，通過全基因組關聯分析，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境差異下遺傳穩定性好。而1號染色體末端是一個多性狀基因富集區域。“農藝性狀的全基因組關聯分析為進一步開展高產、抗逆育種提供了大量的基因位點信息。”王述民說。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-019-0546-0
