鹰嘴豆属“超泛基因组”研究：为品种改良提供新见解

2024 年 5 月 23 日，一项发表在《自然·遗传学》（Nature Genetics）在线版的研究展示了 8 个鹰嘴豆野生近缘种的基因组以及鹰嘴豆属（Cicer）的超泛基因组，为作物改良提供了重要资源。

鹰嘴豆作为一种重要的豆类作物，其遗传多样性相对匮乏，这限制了提升其抗逆性和产量的努力。为了应对这一挑战，一个由来自 华大生命科学研究院（BGI Research）的刘心 以及莫多克大学、国际半干旱热带作物研究所（ICRISAT）和西澳大学等机构的科研人员组成的国际团队，对鹰嘴豆野生近缘种的遗传资源进行了深入研究。

该研究成功生成了 8 个一年生野生鹰嘴豆属物种的高质量基因组组装序列。这些工作填补了这些物种此前缺失的基因组信息，打破了其在育种应用中的限制。

构建鹰嘴豆属超泛基因组

通过将这 8 个新的野生种基因组与现有的栽培鹰嘴豆基因组进行综合分析，研究团队构建了鹰嘴豆属（Cicer）的“超泛基因组”，代表了这些物种中广泛的基因集合。主要发现包括：

• 基因含量： 超泛基因组包含 24,827 个基因家族，分为核心基因（所有物种共有）、软核心基因、非必需基因（部分共有）和物种特有基因。
• 农艺相关性： 非必需基因组在防御反应等功能上表现出富集，可能为育种提供有用的性状。
• 进化背景： 研究更新了一年生鹰嘴豆属物种的系统发育关系，并估算了其分化时间。
• 遗传变异： 构建了全面的遗传变异目录（包括 SNP、InDel 和大片段结构变异 - SVs），凸显了野生种与栽培种之间的差异。
• 性状关联变异： 值得注意的是，研究在影响开花期、春化作用和抗病性等性状的基因内部或附近，鉴定出了包括 SV 在内的关键变异。

图形基因组的构建

为了更好地利用复杂的变异数据（尤其是结构变异 SV），研究人员构建了基于图形的泛基因组（Graph-based pangenome）。与使用单一线性参考基因组相比，这种结构将变异整合进参考系统，提高了不同鹰嘴豆资源中序列比对和 SV 分型的准确性。

影响与应用

我们认为，这一鹰嘴豆属超泛基因组及其关联的图形基因组是科研界的宝贵资源。它们让我们对该属内的遗传多样性有了更深层的理解，并确定了野生近缘种中可能与改良栽培鹰嘴豆相关的特定遗传变异。这些信息预计将通过分子标记辅助选择（MAS）或基因编辑技术，加速培育更优良的鹰嘴豆品种。

我们的合作角色与简要思考

通过与 Rajeev Varshney 博士领导的长期合作伙伴共同努力，我们对鹰嘴豆属内的多个豆类物种进行了测序和组装。我们首次提出了“超泛基因组”（Super-pangenome）的概念，并通过比较基因组学分析，清晰地勾勒出野生鹰嘴豆属物种与栽培鹰嘴豆之间显著的基因组差异——特别是大量影响关键功能基因的结构变异。我们的合作伙伴进一步验证了其中一些结构变异直接影响了如开花期等关键性状。

这项研究全面展示了鹰嘴豆的遗传多样性和进化史。通过捕获野生基因库的全谱并将其整合到超泛基因组中，我们的工作为推进鹰嘴豆育种和作物改良提供了核心信息。我们相信，这些基因组资源和见解将成为全球研究人员和育种家的重要参考。

阅读论文全文： Khan, A.W., Garg, V., Sun, S. et al. Cicer super-pangenome provides insights into species evolution and agronomic trait loci for crop improvement in chickpea. Nat Genet 56, 1225–1234 (2024). https://doi.org/10.1038/s41588-024-01760-4