Nature子刊 |香港中文大学林汉明教授团队联合华大基因解析全球首个野生大豆高质量参考基因组

今日，香港中文大学林汉明教授团队主导，联合华大基因等多家国内外机构，完成了全球首个野生大豆高质量参考基因组解析，文章“A reference-grade wild soybean genome”发表于《Nature Communications》。

该成果为挖掘野生大豆遗传资源和改良、优化栽培大豆品种提供了重要工具。华大基因为该研究工作提供了测序服务，并参与了该基因组的组装分析。

图1：大豆植株、豆荚、种子

大豆，古称菽，是中国的原生种植物，由于种皮颜色有黄色、淡绿色、黑色之分，别名黄豆、青豆、黑豆，栽培大豆中黄豆最为常见。作为中国乃至全球第四大优质高营养的粮食作物，大豆有极高的经济和战略价值。公开数据显示，2017年中国进口大豆达9600万吨，占消费总量87%，其中约30%产自美国。

作为大豆原产地，中国拥有全球90％以上野生大豆种质。野生大豆含有丰富的基因资源，可用于提升栽培大豆抗逆性、种子蛋白质和次级代谢产物含量等农艺性状，是大豆品种改良的宝库。推动大豆种业、产业升级，以及保障粮食安全，中国本土野生大豆种质资源的发掘和利用势在必行。

图2：野生大豆W05 幼苗

野生大豆基因组学研究是其优势农艺性状相关基因数据分析的高效路径，但以往主要以栽培大豆Williams 82的基因组为参考，导致野生大豆品种特有的遗传信息得不到充分挖掘。该项目研究团队针对野生大豆W05，应用三代PacBio测序技术、Bionano Genomics双酶切光学图谱(OM)和高通量染色体构象捕获技术(Hi-C)产出的数据，组装得到染色体级别的参考基因组，其大小为1013.2 Mb，contig N50为3.3 Mb，注释获得55,539个蛋白编码基因。

图3：野生大豆W05基因组概貌

基于该项目产出的参考基因组数据集，研究人员对野生大豆与栽培大豆的遗传结构和种皮性状进行了深入研究。以下是部分研究思路及成果展示：

01

野生大豆与栽培大豆在遗传结构上有何显著差异？

研究人员发现，栽培大豆11号染色体末端和13号染色体末端之间发生了相互易位。在野生大豆与栽培大豆的育种实践中，相关区域的基因连锁关系会更为复杂，从而影响QTL性状相关的基因定位研究。因此，这类易位结构的鉴别对遗传育种有重大指导意义。

02

大豆为何变成黄豆？

控制大豆种皮颜色的主效区域——I locus区域，位于 大豆的8号染色体，研究人员发现，栽培大豆在该区域含有一个大的倒位，经过严谨的实验验证，证实正是该倒位引起大豆种子颜色由深色转变为黄色。

03

以上两项发现是否有更广泛的数据支持？

研究人员利用新的参考基因组，对来自多个国家和地区的野生和栽培大豆的OM（双酶切光学图谱）数据进行了组装和比较，发现多个栽培大豆都在I locus区域含有倒位。同时，多个大豆品种（相对于野生大豆）在11号染色体和13号染色体末端发生了相互易位。

04

人工选择对大豆基因组有何影响？

举其中一例加以说明：胰蛋白酶抑制剂（抗营养因子），是植物演化出的针对食草动物和细菌感染的自我保护策略，在大豆中，其含量占种子总蛋白含量的2-6%，这在所有豆科植物中是含量最高的，由此减少了大豆作为食物和动物草料的营养价值。研究人员发现，相比于野生大豆，栽培大豆8号染色体上抗营养因子基因的拷贝数目相对较少，这可能正是大豆在驯化过程中受到人工选择的遗传印记。

综上所述，野生大豆参考基因组的发表，为豆科植物的比较基因组学以及大豆的改良研究奠定了基础，促进了野生大豆遗传信息和优势性状的研究，有助大豆的持续性品种改良和优化。利用野生大豆对生物和非生物胁迫的抗性基因，可以优化大豆栽培品种农艺性状，扩大大豆的耕种范围，为可持续农业生产作出贡献。

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“大豆回家”计划 

2010年，香港中文大学林汉明教授与华大基因以“大豆回家”为课题，率先完成了三十一个野生及栽培大豆的基因组重测序，成果在 Nature Genetics 以封面文章发表。及后于2017年6月20日，深圳国家基因库和国家大豆改良中心共同发起的“大豆回家”公益专项计划启动。该项目旨在全面提升大豆育种水平和育种效率，培育高产、稳产、优质、抗逆性强的新品种，推广利用新兴技术和新兴栽培模式，强化相关机制机理研究，驱动大豆种业、产业发展，催生一批基础和颠覆性创新科研成果。截至目前，该专项已完成3500份野生大豆的种质资源数字化，并将于未来2-3年内完成4500份涵盖野生和栽培大豆的种质资源杂交组合及完成在南方、东北、黄淮三个生态区的表型数据采集，当前已启动600个组合的测序与分析。该项目将为深入解析大豆育种相关优良性状、推动大豆精准育种提供坚实的遗传基础。

招聘

香港中文大学林汉明教授团队多年来致力于大豆种质资源研究和改良。通过大规模基因组测序，研究野生和栽培大豆在遗传和性状上的差异，为大豆品种筛选和改良提供了重要的科学数据。该团队目前正在招募科研助理和博士后。有意者请将简历电邮至：[e-mail] 。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-09142-9

撰稿：谢   敏

编辑：市场部

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