2024年4月22日，浙江省农业科学院李国景团队与浙江大学张明方团队合作在国际遗传学顶级期刊Nature Genetics发表题为“Differential selection of yield and quality traits has shaped genomic signatures of cowpea domestication and improvement” 的研究论文。

该论文揭示了豇豆驯化与改良的基因组选择印迹，阐明了豇豆产量和品质协同提升的遗传机制，为粮用豇豆和菜用豇豆的双向改良提供了基因组工具，研究成果有望为缓解地球人口持续增加导致非洲等发展中国家食物安全问题和改善人类膳食营养结构提供基因组育种新策略。

随着全球气候变化、人口增长和农业可持续发展等问题日益加剧，富含蛋白质、具有固氮效应的豆类作物在保障全球粮食安全、绿色生产和人类营养健康方面扮演着越来越重要且独特的角色。豇豆起源于非洲，在非洲和亚洲地区分别被驯化出粮用豇豆和菜用豇豆两个栽培亚种。粮用豇豆耐旱、耐贫瘠、富含蛋白质，但豆荚短、产量低，是非洲撒哈拉地区发展中国家人民的主要粮食作物；菜用豇豆嫩荚营养丰富、豆荚长、丰产性高，在我国和东南亚地区普遍栽培，是亚洲十大蔬菜作物之一。长期的驯化和改良导致二者在豆荚长度、裂荚性、抗性、产量和品质等性状上产生明显的分化，但不同豇豆亚种驯化与改良的基因组选择特征和性状形成的遗传机制尚不清楚。

研究团队首先组装了粮用豇豆和菜用豇豆高质量基因组（图1），基于比较基因组研究发现了亚种间大量的基因组结构变异，鉴定出主要与细胞生长和分化过程中胞膜重建有关的糖鞘脂通路上的特异扩张基因，可能与菜用豇豆的超长豆荚生长发育有关；揭示了粮用豇豆特异扩张的基因主要富集在与粮用豇豆碳水化合物积累、抗病抗逆性相关的能量生产与转运通路上。

图1 菜用豇豆和粮用豇豆亚种高质量基因组解析

该研究通过对从全世界收集到的344份核心种质进行重测序，揭示了豇豆亚种之间基因组水平上的遗传进化关系，发现了豇豆种质可以清晰地区分为粮用豇豆、菜用豇豆地方品种和菜用豇豆育成品种三个亚群（图2），并结合GWAS和选择性清除分析挖掘到与驯化和改良相关的基因组印迹信号和重要基因／遗传位点，构建了从粮用豇豆-菜用豇豆地方品种-菜用豇豆育成品种的驯化与改良过程中涉及耐旱、抗病和产量相关性状的基因组变异图谱（图3）。

图2 豇豆亚群结构分析与重要性状GWAS关联基因

图3 豇豆驯化与改良进程中基因组变异与选择特征

研究进一步发现豆荚落粒性、嫩荚和籽粒总淀粉含量、单荚籽粒数、嫩荚可溶性糖含量、荚长等产量和品质相关性状在豇豆驯化与改良进程中受到强烈的人工选择。从粮用豇豆到菜用豇豆，荚长、单荚籽粒数和嫩荚可溶性糖、籽粒淀粉与籽粒粗蛋白含量受到持续的正向选择，而落粒性、千粒重、籽粒可溶性糖含量及一些抗病抗逆位点逐步丢失；粮用豇豆的驯化与改良主要涉及籽粒大小和籽粒品质性状，而菜用豇豆的驯化与改良主要集中在荚长和嫩荚品质性状。研究结果表明，通过在菜用豇豆上聚合荚长、单荚粒数、嫩荚可溶性糖等位点的有利等位变异，同时从粮用豇豆中引入一些抗病、抗逆相关的有利等位变异，可以实现菜用豇豆产量、品质、抗逆（病）性状的协同提升；同样在粮用豇豆上，通过聚合千粒重、籽粒可溶性糖含量、籽粒淀粉含量等位点的有利等位变异，同时从菜用豇豆中引入荚长、单荚粒数、耐裂荚性等有利等位变异，改良非洲粮用豇豆的生产性能。该研究全面解析了豇豆驯化与改良中重要性状相关的基因组选择特征，为豇豆品质、产量、抗逆（病）性状的协同改良提供了基因组育种路线图（图4）。

图4 豇豆驯化与改良的基因组遗传与变异路线图

浙江省农业科学院吴新义副研究员和浙江大学胡仲远副教授为论文第一作者，浙江省农业科学院李国景研究员和浙江大学张明方教授为共同通讯作者。广东省农业科学院张艳博士、杨易博士，以及浙江省农业科学院豇豆瓠瓜育种团队其他科研人员参与了本研究。本研究工作获得浙江省重点研发计划、浙江省育种专项、浙江省作物种质资源精准鉴定项目，中央高校基本科研业务费，以及省部共建农产品质量安全危害因子与风险防控国家重点实验室、浙江省农科院融通计划的资助。

浙江省农业科学院豇豆瓠瓜育种团队从事豇豆遗传育种研究已有40多年历史，拥有全国最丰富的豇豆种质资源，围绕种质表型精准鉴定、重要性状基因挖掘和新品种选育开展系统研究，相关成果发表在Plant Biotechnol J、J Exp Bot、Theor Appl Genet等植物学知名期刊。浙江大学蔬菜种质创新与分子育种团队致力于蔬菜基因组进化与功能基因组和分子育种研究，相关成果发表在Nat Genet、Nat Com、Mol Plant等国际知名期刊。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41588-024-01722-w