英文标题：Chromosome-level reference genome and resequencing of 322 accessions reveal evolution, genomic imprint and key agronomic traits in adzuki bean

发表期刊：Plant Biotechnology Journal（影响因子10.1）

发表时间：2024年3月

发表单位：北京农学院植物科学技术学院、中科院遗传与发育研究所和澳大利亚莫道克大学；

本研究构建了赤豆品种京农6号的高质量染色体水平参考基因组，并且通过对包括野生和栽培赤豆在内的322个种质资源进行全基因组重测序，生成了赤豆全基因组变异图谱，通过比较基因组学和全基因组关联分析（GWAS）研究赤豆的进化和驯化过程，识别出几个与赤豆驯化和农艺性状相关的候选基因。研究结果解析了赤豆的驯化过程和农艺性状的遗传机制，为进一步的育种工作提供了重要的指导。

赤豆(Vigna angularis )是一种重要的豆科作物，被广泛栽培于30多个国家。赤豆种子富含高质量蛋白质、淀粉、矿物元素和维生素，具有药用价值和多样的生物活性物质。因其生长期短、基因组小，非常适合作为了解豆类生物学的模式物种，然而赤豆的驯化过程和关键农艺性状的遗传基础尚不完全清楚。

研究团队使用了Illumina(65.53 Gb)、PacBio（116.06 Gb）和Hi-C(120.4 Gb)测序数据对赤豆栽培种“京农六号”基因组进行了组装，组装后的基因组大小为489.77 Mb，contig N50为16Mb。使用Hi-C数据进行辅助挂载，97.8%(479.1 Mb)的数据挂载到了11条染色体上，scaffold N50为41.6 Mb。

在赤豆基因组中，结合从头预测和基于同源性的搜索，共预测了52,643个转录本，并鉴定了32,738个高置信度蛋白质编码基因。共计286,431,291bp（占基因组的59.79%）被注释为重复序列，这一比例高于其他豆科作物。

京农6号基因组组装

研究人员通过比较赤豆和豌豆、蒺藜、鹰嘴豆等其他11个物种的基因组，确定了特有和共有的基因家族。共有31,332个基因（占95.7%）被聚类为16,641个基因家族，其中15,795个基因家族为所有12个物种所共有，而846个基因家族是赤豆特有的。在基因家族分析中，基于605个单拷贝基因家族，赤豆和绿豆被聚类在系统发育树的同一分支内，这进一步支持了豇豆属（Vignaradiata）内部的分化。根据分化时间的估计，豇豆属与菜豆属（Phaseolus）的分化发生在大约2210万年前（MYA），赤豆与绿豆的分化发生在约640万年前，而与豇豆的分化发生在7至39 MYA。

研究团队将赤豆中的收缩和扩张的基因家族与其他基因组进行了比较。扩张的基因家族主要与抗坏血酸和醛酸代谢、谷胱甘肽代谢和病原体相互作用相关。此外，通过对赤豆、豇豆和绿豆基因组的搜索和比较，发现了染色体水平上除了3号和5号染色体外其他染色体的同源性和共线性。研究结果还表明，赤豆的3号和5号染色体发生了断裂和融合的事件。

赤豆、绿豆和豇豆的比较基因组学分析

研究团队对322个赤豆品种的基因组进行了重测序，包括67个野生品种、39个半野生品种、160个地方品种和56个改良品种，半野生赤豆的形态特征介于栽培赤豆和野生赤豆之间，地方种和改良品种是栽培种。共鉴定出了1,352,825个SNPs，其中106,034个位于蛋白质编码基因内；此外，在基因的上游或下游区域检测到73,694个SNPs，其余SNPs属于基因间区。

通过主成分分析(PCA)、系统发育树构建和种群结构分析，研究了322个品种之间的群体进化关系，清楚地将野生赤豆品种与半野生品种和栽培品种区分开来，只有少数野生品种与半野生品种聚集在一起。

基于赤豆样本的遗传图谱，研究团队将样本分为六个不同的组。其中野生赤豆样本分为两个不同的组，野生群体包括32个仅存在于中国山区的品种，而来自中国、尼泊尔、韩国和日本的35个野生品种与38个半野生品种聚类成另一个明显的群体，被称为祖先野生群体。而栽培赤豆被分为四个明显的亚群：Cultigens 1-4。原始野生、祖先野生和栽培赤豆的平均遗传多样性（Pi）值逐渐降低，遗传多样性的降低表明赤豆的驯化可能是一个缓慢的过程，从原始野生组到祖先野生组，最终转化为栽培品种。通过FST分析显示，原始野生组和祖先野生组之间的分化程度高于祖先野生组和栽培品种组之间的分化程度。

研究团队提出，进化和选择的过程导致了种群内遗传多样性的降低，同时加强了基因座之间的连锁。因此，具有较高驯化程度和较高选择强度的种群通常表现出较慢的连锁不平衡衰减速率。从原始野生组到祖先野生组，最后到栽培品种的连锁不平衡衰减速率逐渐降低。

322个野生和栽培赤豆材料的种群结构

研究团队对与驯化相关的性状，包括荚果开裂、产量性状、生长期等，进行了全基因组关联研究（GWAS）。基于选择清除（selection sweeps）信号和GWAS峰值位点，研究团队在五号染色体上发掘到两个与赤豆驯化相关的关键候选基因，其中候选基因VaCycA3;1（Va05G046260）与每株植株的总种子数量和生长习性相关，其中一个非同义SNP（Chr5:27353701, G/T）位于该基因的CDS区域。该SNP经历了选择，并与每株植株的总种子数量和生长习性（直立或缠绕）相关。在两种不同的单倍型中，Hap.1（GG）与较低的种子数量和荚果裂开相关，而Hap.2（TT）与较高的种子数量和荚果不裂开相关。

另一个候选基因VaHB15（Va05G054120）与荚果成熟期长短相关，该基因中的一个非同义SNP（Chr5:32530016, G/T）在驯化过程中经历了强烈的正选择。该SNP在两种不同的单倍型中，Hap.1（GG）与较短的成熟期相关，而Hap.2（TT）与较长的成熟期相关。VaHB15基因编码的HD-Zip III同源物在拟南芥和杨树的血管发育中起关键作用。

通过GWAS和基因功能分析，研究团队确认VaCycA3;1和VaHB15在赤豆驯化过程中扮演了重要角色，为理解赤豆的农艺性状调控机制提供了新的见解。

赤豆种皮颜色性状的全基因组关联分析

研究利用Illumina、PacBio和Hi-C数据结合，组装了赤豆品种京农6号的高质量染色体水平参考基因组。通过对赤豆样本的重测序，生成了赤豆全基因组变异图谱，通过比较基因组学和全基因组关联分析，确定了与驯化性状显著相关的候选基因。该研究为赤豆育种工作提供了基因组数据，并揭示了赤豆驯化性状的关键基因。研究为育种工作提供了重要的数据基础，有助于改良赤豆的耐逆性和产量等关键农艺性状，进一步选育拥有良好农艺性状的高品质赤豆品种。