左上為栽培大豆種子，其余為多年生野生大豆種子。山東農(nóng)大供圖

 多年生野生大豆植株           山東農(nóng)大供圖

從又黑又小的野生大豆，到又黃又大的栽培大豆，3月15日《自然—植物》在線發(fā)表的論文證實(shí)，在這個(gè)過程中丟失了約70%的基因位點(diǎn)?，F(xiàn)在，科學(xué)家讓這些豐富的遺傳資源“回家”了。

論文通訊作者、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)教授張大健告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，人們?nèi)粘Ｊ秤玫拇蠖挂荒暌环N一收，然而它的野生種卻可以多年生長(zhǎng)。該團(tuán)隊(duì)首次獲得了多年生野生大豆（即大豆Glycine亞屬）的高精度基因組圖譜，填補(bǔ)了大豆屬泛基因組的空白，解析了大豆進(jìn)化歷程，高效準(zhǔn)確挖掘了大豆基因組的結(jié)構(gòu)變異，拓寬了大豆分子育種可利用的基因資源，為大豆遺傳基礎(chǔ)解析、馴化性狀調(diào)控基因挖掘及種質(zhì)創(chuàng)新提供了重要的理論支撐。

丟失的基因與遺傳瓶頸效應(yīng)

大豆是重要的糧油飼兼用作物，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位。張大健在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說，近年來，我國(guó)大豆產(chǎn)量徘徊不前，進(jìn)口量持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)外依存度超過80%，嚴(yán)重威脅我國(guó)糧食安全，其種質(zhì)育種和改良工作迫在眉睫。

然而，要想利用先進(jìn)的育種手段改良大豆品種，必須搞清楚大豆的基因組。

大豆在分類學(xué)上屬于豆科大豆屬，該屬分為Glycine和Soja兩個(gè)亞屬。Soja亞屬分為一年生野生大豆和一年生栽培大豆；而Glycine亞屬為多年生野生大豆。

截至目前，該研究領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)表了多個(gè)大豆Soja亞屬中代表性大豆種質(zhì)資源參考基因組，并構(gòu)建了高質(zhì)量的基于圖形結(jié)構(gòu)的泛基因組（一個(gè)物種全部的基因組成）圖譜，為深入研究大豆功能基因組學(xué)提供極為重要的資源和平臺(tái)。

但隨著大豆育種工作的快速發(fā)展，大豆種質(zhì)資源顯得相對(duì)匱乏。栽培大豆原產(chǎn)于中國(guó)，由祖先野生大豆長(zhǎng)期定向選擇、改良馴化而成。張大健說，在長(zhǎng)期馴化和改良過程中，僅有少量基因資源被選擇，大部分基因資源“丟失”了。因而在栽培大豆中產(chǎn)生了嚴(yán)重的遺傳瓶頸效應(yīng)（生產(chǎn)上所用品種失去了遺傳上的多樣性，導(dǎo)致一定程度的遺傳單一化，成為作物育種研究可持續(xù)發(fā)展的限制因素），極大限制了栽培大豆產(chǎn)量提高與品質(zhì)改良。

山東農(nóng)大供圖

“野生大豆是栽培大豆進(jìn)行性狀改良的重要遺傳資源。”論文第一作者、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授莊永斌說，如今的多年生野生大豆主要生活在熱帶亞熱帶地區(qū)，其遺傳多樣性豐富，具有較強(qiáng)的抗逆、抗鹽堿、抗蟲、耐旱、耐熱等特性。

“其豐富的遺傳變異為重要農(nóng)藝性狀的挖掘和育種提供了寶貴的資源。”張大健說，但由于多年生大豆基因組龐大、重復(fù)序列多和高度雜合等特性，一直缺乏高質(zhì)量染色體級(jí)別的參考基因組，更沒有泛基因組圖譜。

填補(bǔ)大豆屬泛基因組空白

“野生大豆的種子又黑又小，而栽培大豆的種子又黃又大。”張大健說，從野生大豆到栽培大豆，馴化過程中到底發(fā)生了什么變化，此前科學(xué)家并不知道。

莊永斌介紹，他們選取了5個(gè)具有代表性的二倍體和1個(gè)異源四倍體（擁有四套來源于不同祖先的染色體）野生大豆進(jìn)行全基因組測(cè)序。其中，5個(gè)二倍體野生大豆分別為Glcyine亞屬中A、B、C、D、F基因組型的代表，而1個(gè)自然形成的異源四倍體基因組型為AADD。

綜合利用二代、三代、Hi-C等測(cè)序技術(shù)，他們組裝得到了染色體級(jí)別的高質(zhì)量參考基因組，首次構(gòu)建了Glycine亞屬大豆泛基因組。

多年生野生大豆基因組解析       山東農(nóng)大供圖

“由于之前已經(jīng)有科學(xué)家完成了Soja亞屬的大豆泛基因組，加上我們這次完成的Glycine亞屬大豆泛基因組，可以說整個(gè)大豆屬的泛基因組已經(jīng)全部完成了。填補(bǔ)了這項(xiàng)空白。”張大健說。

通過建立兩個(gè)亞屬基因組的共線性關(guān)系，即兩個(gè)亞屬間染色體上對(duì)應(yīng)位置的基因類型和相對(duì)順序的保守性，他們鑒定出109827個(gè)多年生大豆非冗余的基因位點(diǎn)，并發(fā)現(xiàn)其中約70%的位點(diǎn)在Soja亞屬中丟失。莊永斌說，這一龐大的遺傳資源將為大豆育種提供豐富的遺傳多樣性基礎(chǔ)。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，與栽培大豆同屬Soja亞屬的一年生野生大豆的基因較為保守，而Glycine亞屬的多年生野生大豆的基因最為保守。

該團(tuán)隊(duì)還鑒定出183個(gè)大片段基因組結(jié)構(gòu)變異，這些變異影響著大豆開花時(shí)間、抗病性、抗逆性等重要的表型特征。

張大健說，結(jié)構(gòu)變異是指基因在染色體空間結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)倒位、異位等現(xiàn)象，例如某個(gè)基因從一號(hào)染色體上移到了8號(hào)染色體，而這種結(jié)構(gòu)變異可能對(duì)其內(nèi)部的基因的表達(dá)或功能產(chǎn)生影響。

近年來，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，越來越多的證據(jù)顯示，大片段的結(jié)構(gòu)變異廣泛存在于作物基因組內(nèi)，且影響著許多重要的農(nóng)藝性狀。“準(zhǔn)確解析這些結(jié)構(gòu)變異對(duì)于顯著提高大豆產(chǎn)量、改良大豆品質(zhì)等農(nóng)藝性狀具有重要意義。”張大健說。

大豆遺傳改良還在路上

“我們這次在大量基因位點(diǎn)中篩選出兩個(gè)基因——PHP和D14，它們可能在調(diào)控大豆一年生或多年生習(xí)性中起重要作用。”張大健說，PHP通過影響開花基因的表達(dá)來調(diào)控，而D14通過影響?yīng)毮_金內(nèi)酯來影響植株的表型。“這兩個(gè)基因突變后，有可能將一年生大豆變成多年生大豆。”

他們發(fā)現(xiàn)，除了大片段的結(jié)構(gòu)變異，大豆基因組中還有很多馴化基因僅僅是由于一兩個(gè)堿基的變化而產(chǎn)生的。莊永斌認(rèn)為，要改變現(xiàn)有品種的表型，或者在栽培大豆中“恢復(fù)”野生大豆的優(yōu)良抗性等，可能只需要改變這些馴化基因就能實(shí)現(xiàn)。

不過，野生大豆的遺傳資源非常豐富，擁有很高的多樣性，要從中找到合適的基因用于大豆品質(zhì)的提升和改良還需要進(jìn)行大量工作。

經(jīng)過多年科研攻關(guān)，張大健團(tuán)隊(duì)圍繞大豆重要農(nóng)藝性狀馴化基因及其分子機(jī)制開展系統(tǒng)研究。結(jié)合前期研究?jī)?nèi)容，針對(duì)已發(fā)掘的品質(zhì)和產(chǎn)量重要基因，該團(tuán)隊(duì)利用分子標(biāo)記輔助技術(shù)，已選育出適宜黃淮海地區(qū)種植的高產(chǎn)高油大豆品種。目前該品種已參加山東省大豆區(qū)域試驗(yàn)，表現(xiàn)良好。

論文評(píng)審人認(rèn)為，該論文是對(duì)可利用植物的基因組學(xué)的重要貢獻(xiàn)，為多年生和一年生植物的不同遺傳學(xué)機(jī)制提供了更多更深入的信息。

評(píng)審人說，在這篇論文中，作者鑒定了多年生和一年生大豆中復(fù)雜的基因組變異和進(jìn)化特征，并利用大豆已知基因組信息結(jié)合新的組裝方法構(gòu)建了一個(gè)超級(jí)泛基因組，這為大豆的遺傳改良和進(jìn)化研究提供了更加全面的基因組信息。

“不僅如此，作者還提出了多年生向一年生大豆轉(zhuǎn)變的機(jī)理和異源多倍體中亞基因組分離的偏向性。數(shù)據(jù)質(zhì)量很高，研究思路新穎，引用文獻(xiàn)得當(dāng)。總之，這項(xiàng)研究全面解析了大豆屬的進(jìn)化，創(chuàng)新性強(qiáng)，邏輯嚴(yán)謹(jǐn)。”評(píng)審人說。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-022-01102-4