3,366份種質材料測序分析！繪製鷹嘴豆遺傳變異圖譜

雖然鷹嘴豆

（

Cicer arietinum

L。）

是世界第三大豆類作物，是50多個國家人們重要的蛋白、膳食纖維和微量元素的來源，但是相對小麥、水稻和大豆來說，在基礎研究和育種實踐方面，鷹嘴豆都只能算是“小眾”作物。

針對這樣雖然“小眾”，卻對保障發展中國家糧食安全至關重要的作物，如何借鑑其他作物的研究經驗，藉助新技術開發新方法，更加高效地推動我們對它的認知並指導育種實踐，意義重大。

種子的形態反映出鷹嘴豆具有很高的遺傳多樣性，積累和利用基因組資料，對鷹嘴豆的改良至關重要。（圖片由國際半乾旱熱帶作物研究中心提供）

北京時間11月11日，

Nature

線上發表了由國際半乾旱熱帶作物研究中心牽頭，全球11個國家和地區的41個組織的相關研究人員共同完成的題為

A chickpea genetic variation map based on the sequencing of 3,366 genomes

的研究論文。該研究透過對鷹嘴豆全球種質資源開展大規模基因組測序和分析，加深了我們對於鷹嘴豆的認識，也推動了鷹嘴豆的育種實踐。

Nature

網站截圖

首次組裝得到了鷹嘴豆的泛基因組

該研究對來自世界範圍內的3,171個栽培種質和195個野生種質進行了全基因組測序，首次組裝得到了鷹嘴豆的泛基因組（pan-genome），其中包含1,582 個未發現的鷹嘴豆新基因。

利用本研究中構建的泛基因組，研究團隊繪製了包含各類大尺度的序列結構變異和複製數變異的遺傳變異圖譜。以此為基礎構建的鷹嘴豆遺傳變異資料庫CicerSeq是迄今為止最大的鷹嘴豆全球遺傳多樣性資料庫，覆蓋了全球當前已經蒐集整理的大約八萬份所有鷹嘴豆種質中的核心部分。

國際半乾旱熱帶作物研究中心作物加速改良研究計劃主任，該研究專案負責人拉吉夫-瓦爾什尼

（ Rajeev Varshney）

教授說：“

這項研究提供了鷹嘴豆遺傳變異的完整圖譜，是非常重要的資源，這些資源讓我們進一步認識鷹嘴豆，也提供了更高效的鷹嘴豆改良路線圖。

”

本研究構建了一個較為完善的鷹嘴豆泛基因組（圖a所示，隨著測序個體增加，泛基因組大小趨於飽和），並得到了迄今最為廣泛的鷹嘴豆遺傳變異圖譜（圖b所示，8條鷹嘴豆染色體上分佈的各種型別遺傳變異）。

闡釋鷹嘴豆的起源和馴化

研究團隊利用此大規模基因組資料集，闡釋了鷹嘴豆的起源和馴化。大約12，600年前，人工培育的鷹嘴豆與其野生祖先

Cicer reticulatum

分化，早期馴化過程中的遺傳瓶頸持續了大約1000年，隨後鷹嘴豆從馴化地往多個地區擴散開來。該研究從全基因組資料確認了鷹嘴豆從新月沃地起源，進而分兩條路徑分別擴散到南亞和東非，以及地中海地區（可能透過土耳其）、黑海和中亞（直至阿富汗）。

透過對3，000多份鷹嘴豆基因組資料分析，研究團隊發現了同地理區域對應的幾個主要群體（如圖a和b所示），也進一步闡釋了從發源地新月沃地到南亞和東非（如圖c和圖d所示），以及中亞和地中海（如圖e和圖f所示）的兩條擴散途徑。

加速鷹嘴豆育種實踐

研究團隊基於大規模的基因組資料進一步闡釋了基因組輔助育種方法在鷹嘴豆上的應用和實踐。透過栽培鷹嘴豆和野生祖先 C。 reticulatum的比較分析，研究人員發現了導致作物品種衰減的有害基因，而深入分析地方品種，研究人員鑑定得到了決定鷹嘴豆的產量、氣候適應性、種子特性等重要農藝性狀的優勢單倍型。

進一步地，針對16個重要農藝性狀，研究人員提出了三種基於全基因組資料的預測方法來預測鷹嘴豆的生產能力，並證明了這些方法可以提高“百粒重”這一個關鍵的產量性狀，並預測增加 12% 到 23%。因此，無論是避開導致品種衰減的基因型，整合優勢基因型，還是全基因組選育方法，都正在成為鷹嘴豆育種實踐中的高效手段。

在位於印度海德拉巴的國際半乾旱熱帶作物研究中心種植多個鷹嘴豆品種。（圖片由國際半乾旱熱帶作物研究中心提供）

對於鷹嘴豆的既有研究相對缺乏，但是利用大規模全基因組資料，以及以此為基礎的分子標記輔助育種和全基因組育種方法的快速建立，實際上已經加速了鷹嘴豆的育種實踐。基因組資源對於加快作物改良計劃中的遺傳收益至關重要。可以說，鷹嘴豆的遺傳育種藉助大規模的基因組資料實現了“彎道超車”，從2013年構建首個鷹嘴豆的參考基因組開始，不斷深入的基因組研究成就了鷹嘴豆實現超越的“新賽道”。

華大基因研究員，該文章通訊作者劉心總結到：“

非常榮幸華大能夠參與到鷹嘴豆基因組專案這樣的國際大科學計劃中。從2013年第一個鷹嘴豆參考基因組發表開始，我們合作開展了一系列基因組研究，都是建立在前期種質資源蒐集和性狀調查基礎上，利用大規模測序平臺和生物資訊分析平臺完成的，我們也在開展進一步的基因組研究。鷹嘴豆的基因組研究，及其推動的育種實踐，為更多作物的改良指明瞭方向，也為糧食安全問題的解決提供了新的解決方案。

”

自2013起，華大參與的一系列鷹嘴豆基因組研究和標誌性成果。基於基因組資料的育種方法，進一步推動了鷹嘴豆育種實踐的發展，已經輔助國際半乾旱熱帶作物研究中心育成了多個鷹嘴豆品種（新品種的種子照片由國際半乾旱熱帶作物研究中心提供）。

論文連結：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04066-1

CicerSeq

資料庫連結：

https://cegresources.icrisat.org/cicerseq/