基因组学在作物方面论文文献

大豆又名菽，在我国已有5000多年的大豆种植历史。大豆起源于中国，由分布于黄淮流域（北纬32-40度）的野生大豆驯化而来。随后广泛传播到世界各地，为人类提供了主要的植物油料和蛋白资源。

据统计, 全世界现有60 000份不同类型的大豆种质资源。毫无疑问，大豆的研究价值是所有豆科作物中最高的。这里对大豆的十年经典研究做一个回顾。

Genome sequence of the palaeopolyploid soybean

研究者利用全基因组鸟枪法对大豆进行全基因组测序，利用 大豆栽培品种Williams 82 品种大豆家系的444个重组自交系构建遗传图谱用来辅助组装，最终组装后的基因组大小为994Mb，ContigN50为 Kb，ScaffoldN50达 Mb，其中有397条Scaffold组装并锚定到 20条染色体 水平，组装基因组中确定了4991个SNP和874个SSR，并预测出 46430 个蛋白编码基因，重复序列占到整个基因组的59%。

此外，该研究后续除了对基因组成、重复DNA鉴定、全基因组复制事件等进化问题进行研究外，还对大豆固氮瘤和油脂的生物合成基因及基因转录因子多样性进行了鉴定，该大豆基因组准确序列的获得加快改良大豆品种的培育。

Resequencing of 31 wild and cultivated soybean genomes identifies patterns of genetic diversity and selection

研究人员对 17株野生大豆和14株栽培大豆 进行了全基因组重测序，与参考基因组比对后，共发现了630多万个SNP，建立了高密度的分子标记图谱。此外通过对野生大豆和栽培大豆进行初步组装，从而在两种大豆中鉴定出18余万个PAV，得到了在栽培大豆中获得以及丢失的基因。此研究还发现大豆基因组存在较高程度的基因连锁不平衡和较高比例的单核苷酸非同义替换/同义替换比例，这表明大豆分子标记育种比基因图位克隆可能会拥有更多的优势。

与栽培大豆相比，野生大豆有着更高水平的遗传多样性，这表明人工选择导致了栽培大豆狭窄的生物多样性，这可能对可持续种植带来负面影响。而对野生大豆的分析表明，随着野生大豆生存环境的减少，野生大豆的有效群体大小在减少，野生种质资源的保存迫在眉睫。

该项研究第一次为大豆基因组学研究提供了全面的重测序数据，对未来的大豆群体遗传学研究，分子标记育种，新基因的发现奠定了坚实的基础。

De novo assembly of soybean wild relatives for pan-genome analysis of diversity and agronomic traits

中国农科院作科所邱丽娟团队牵头选择了 7份有代表性的野生大豆 进行De novo测序和独立组装，构建野生大豆泛基因组，Contig N50为 Kb，Scaffold N50约 Kb。通过基因集比较分析发现，的基因为7个野生大豆所共有，超过则仅存在于个别样本中（特有基因），并且特有基因主要富集在生物和非生物逆境相关途径中，这也反映了野生大豆具有广泛的适应性。此外，还鉴定到的SNP和的InDel。

进化分析表明，野生大豆与栽培大豆的祖先约在80万年前即发生了分化；正选择分析发现栽培大豆受选择的基因多与抗旱有关，而野生大豆中受选择基因非常多样化。同时，鉴定出大量与抗逆、抗病、花期、产油量和高度等重要农艺性状相关基因和变异，如野生大豆和栽培大豆开花时间的差异与开花时间调控基因SNP和InDel变异有关。

该成果是首例重要作物泛基因组研究成果，为研究大豆的遗传多样性及进化历程提供了新的启示，奠定了解析重要驯化性状建成、发掘优异基因/标记的基础。

Resequencing 302 wild and cultivated accessions identifies genes related to domestication and improvement in soybean

中科院遗传发育研究所田志喜团队，对 302份 代表性大豆种质进行了重测序(>10x)，分析表明大豆在驯化和改良过程中遗传多态性明显降低，在驯化阶段鉴定出121个强选择信号，在品种改良阶段鉴定出109个强选择信号。

除了SNP变异的分析，同时对能够解释更多生物学问题的 CNV变异信息 也进行了深入的选择分析和全基因关联分析。选择分析发现，CNV也在驯化过程中受到人工选择，共发现农家品种和驯化品种中162个受选择区域；通过关联分析发现，18号染色体与抗胞囊线虫相关的CNV与前人报道的区间Rhg1有交集，有趣的是，这个区间同样在驯化种中受到选择。另外，8号染色体上一个与豆脐颜色表现强关联的CNV位于一个查尔酮合成相关的区间内，同样为驯化种中受选择的位点。本文通过CNV的研究实现了鉴定到更多与大豆优良性状相关基因的研究目的。

对种子大小、种皮颜色、生长习性、油含量等性状进行全基因组关联(GWAS)分析，找出了一系列显著关联位点。研究表明大豆产油性状受人工选择较多，形成复杂的网络系统共同调控油的代谢。

Genome-wide association studies dissect the genetic networks underlying agronomical traits in soybean

继302个大豆重测序研究之后，中科院遗传发育研究所的田志喜团队又对 809份 大豆进行了重测序（×）分析，深入解析了大豆84个农艺性状间的遗传调控网络，共鉴定出245个显著关联位点，发现其中95个关联位点和其它位点存在上位性效应。

例如，对于油含量相关性状，共鉴定到24个脂肪酸代谢相关和21个脂代谢相关的基因。深入分析发现，这些基因是通过加性效应共同调控多个大豆油脂性状的形成。

这些关联位点揭示了 不同性状间相互耦合 的遗传基础。根据连锁不平衡分析，发现115个关联位点可相互连锁，并与所观测的51个性状联系起来，形成复杂的 多性状多位点调控网络，该遗传调控网络很好地解释了不同性状间的耦合关系 。研究还发现其中23个关联位点，包括16个新鉴定的位点，对不同性状的形成起到关键调控作用。

De novo assembly of a Chinese soybean genome

中国科学院遗传与发育生物学研究所田志喜团队联合其他单位，综合运用单分子实时测序（SMRT）、单分子光学图谱（optical mapping）和高通量染色体构象捕获技术（Hi-C），对中国国审大豆品种“中黄13”的基因组 (Gmax_ZH13) 进行从头组装，最终得到 Gb的基因组序列，包含20条染色体和1条叶绿体。该基因组Contig N50为 Mb，Scaffold N50为 Mb，是目前连续性最好的植物基因组之一。

进一步分析表明，Gmax_ZH13和Williams 82基因组之间存在着大量的遗传变异，包括1404个易位事件、161个倒位事件、1233个倒位易位事件，以及在Gmax_ZH13中出现的505506个小插入/缺失（1-99 bp）和17409个大插入/缺失（≥100 bp）。

该研究整合大量转录组数据为Gmax_ZH13基因注释基因构建了一个完整的基因共表达网络。通过已报道控制大豆开花时间的基因与新定位的QTL或GWAS区间内候选基因的共表达关系，对新定位区间内控制该性状的基因进行更精确地筛选，得到26个可能控制大豆开花时间的基因，并利用自然群体遗传变异和表型差异的关联对其中部分基因进行验证，为重要农艺性状基因的挖掘提供了新思路。Gmax_ZH13基因组的发表为大豆基础研究提供了重要资源，为国产优异大豆品种的培育奠定了基础。

A reference-grade wild soybean genome

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，是大豆品种改良的天然宝库。2019年3月，香港中文大学与华大基因的联合科研团队针对 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。最终组装获得的基因组大小为，contig N50 ，scaffold N50 。注释获得 55,539 个蛋白编码基因，对应89,477个蛋白质编码转录本。此外，在W05基因组中，还发现了288个miRNA，1,988个snRNA及147 个rRNA。

Pan-Genome of Wild and Cultivated Soybeans

中科院遗传发育所田志喜/梁承志课题组合作发表了大豆图形结构泛基因组图谱。这项研究 在植物中首次实现了基于图形结构的基因组构建，突破了传统线性基因组的存储形式 ，将引领下一代基因组学研究思路和方法，被审稿人称为“基因组学的里程碑工作”。

该研究首先对来自世界大豆主产国的2898个大豆自然种质资源进行了深度重测序和群体结构分析，进而精心挑选出26个最具代表性的大豆种质材料。该 26个种质包括3个野生大豆，9个农家种和14个现代栽培品种 ，其中一些材料作为骨干核心亲本已经培育了上百个优良新品种，一些材料是各个大豆主产区推广面积最大的主栽品种。进一步利用最新组装策略，对该26个大豆种质进行了基因组的从头组装和精确注释。在此基础上，结合已经发表的中黄13、Williams 82 和 W05 基因组，构建了高质量的基于图形结构的基因组，经过泛基因组分析，挖掘到大量的大片段结构变异。

深入分析发现，有些结构变异导致了不同基因间的融合，这为新基因的产生研究提供了重要线索；一些结构变异在重要农艺性状调控中发挥重要作用，如种皮亮度、种皮颜色的驯化、缺铁失绿等。

综上，经过10年的努力，起源于中国的大豆再次迎来了自己的高光时刻！这些遗传变异的发布为大豆研究提供了极为重要的资源和平台，无疑将大力推进大豆分子设计育种，助力实现大豆“绿色革命”。

2022年1月19日，广西农科院经济作物所严华兵团队联合菲沙基因在园艺领域权威期刊 Horticulture Research （IF=）上发表了题为“ 《Chromosomal-level genome and multi-omics dataset of Pueraria lobata var. thomsonii provide new insights into legume family and the isoflavone and puerarin biosynthesis pathways》 ”的研究论文，该研究通过PacBio和Hi-C测序 构建了粉葛高质量的染色体水平基因组，解析了粉葛的基因组特征，随后利用包括基因组、转录组、代谢组在内的多组学技术深入解析了粉葛重要次生代谢物的生物合成机制 ，从而为粉葛的资源利用、遗传育种等研究提供了新见解。

鉴于粉葛杂合度较高，研究者选用了PacBio和Hi-C测序，构建的粉葛基因组大小为 ， Contig N50=598 kb ，并将的序列锚定到 11 条染色体上，BUSCO评估基因组完整性为 。通过注释，共获得了 45,270 个蛋白编码基因，其中的基因可以得到功能注释，基因组中重复序列占比为 。

将粉葛与16个近缘物种（包含5个豆科植物）进行比较基因组分析，结果表明：

通过对高葛根素ZG-19和低葛根素ZG-39进行转录组和代谢组分析，研究者检测到了614种225种 差异代谢物（DMs） ，1814个 差异表达基因（DEG） ，DMs和DEG的丰富功能类别重叠，这说明 它们都是与类黄酮、异黄酮和ABC转运相关的基因或代谢物 。

进一步分析 代谢物与基因表达的相关系数 ，结果表明代谢物和基因对在样本中高度相关，60%的显著相关性涉及上调的代谢物和下调或不变的基因，在15%的显著相关性中， 代谢物和基因表达的变化方向相同 。

此外，研究者在异黄酮生物合成途径中发现了大量的DMs和DEG。这充分解析了粉葛中异黄酮的生物合成途径。

通过 同源基因搜索 ，研究者发现编码葛根素合成途径中关键酶的9个基因家族在粉葛中都有所 扩张 ；通过分析糖基转移酶家族中催化糖基化修饰的基因，共鉴定出104个GT基因，有13个基因与8-C-葡萄糖基转移酶（8-C-GT）同源，其中6个与先前研究的催化大豆苷元C-糖基化为葛根素的PIUGT43基因同源。

编码大豆异黄酮合酶（IFS）的基因（）催化着葛根素合成的中间代谢物大豆苷元的合成， 被鉴定为与葛根素的合成途径高度相关 。总之，上述分析初步解析了粉葛中葛根素的生物合成途径。

综上，该研究通过构建高质量的粉葛基因组解析了粉葛基因组的进化特征；通过多组学分析深入解析了粉葛中重要次生代谢物异黄酮、葛根素等生物合成途径，从而为粉葛的资源利用、遗传育种等研究提供了新见解。

广西农业科学院经济作物研究所严华兵研究员团队近些年与华中农业大学、菲沙基因、上海大学、广西中医药大学、广西医科大学等单位持续开展联合攻关，在全球葛根资源收集与鉴定评价、葛属资源分类、葛根基因组与分子生物学、粉葛和野葛品种选育、健康种苗生产、高产高效栽培等方面取得了一系列的成果。团队到目前为止，已广泛收集全球葛属种质资源419份，包括野葛、粉葛、葛麻姆、大花葛、泰葛、苦葛、红葛、须弥葛、食用葛等；通过开发葛SSR分子标记，构建了广西葛核心种质库；通过广泛靶向代谢组解析葛属葛种野葛、粉葛和葛麻姆等3个变种块根中影响食用品质和药用品质的代谢差异；结合表型鉴定通过叶绿体基因组研究，揭示了葛及其近缘种之间的系统发育关系；挖掘了调控葛根素合成代谢相关的结构基因和转录因子，并正在开展相关基因功能验证工作；选育出适合开发葛花茶、高葛根素粉葛、无渣粉葛、药用野葛等系列葛根新品种，并逐步建立配套种苗繁育和高效栽培技术。以上研究相关成果先后发表在Horticulture Research、Frontier in Plant Science、Molecules、植物遗传资源学报、植物生理学报等期刊，相关研究先后得到了国家自然科学基金委、广西科技厅等部门项目的资助。粉葛基因组文章的发表将进一步推动全世界葛属植物的进化与分类研究，促进我国葛根产业的科技进步，发挥基础研究源头供给作用以进一步推动广西地方特色优势粉葛产业的高质量发展。

说到葛根大家一定不陌生，野葛在美国开始被用作生态治理后来泛滥成灾被列为入侵生物，泰国葛根产业及其健康功效风靡全球。最早关于葛的文献记载出现在周代，《神农本草经》记载“(葛根)主消渴，身大热，呕吐，诸痹，起阴气，解诸毒”。葛根具有解肌退热，生津止渴，透疹，升阳止泻，通经活络，解酒毒等。现代药理研究表明，葛根在改善心血管系统、抗氧化、降血糖、解热、抗炎、解酒护肝、神经保护、抗骨质疏松和雌激素样作用等方面具有较好的药理活性。

粉葛为豆科葛属植物，为药食同源两用植物，素有“亚洲人参”、“南葛北参”的美誉，广泛种植在广西、广东、江西、湖南、湖北等地，其中广西是粉葛主要种植产区，种植面积全国第一！其中梧州藤县和平镇是中国著名的“葛根之乡”，藤县葛色天香和平粉葛产业（核心）示范区被评为广西现代特色农业(核心)四星级示范区。当前广西粉葛产业发展仍然面临很多亟待解决的问题，粉葛基因组的解析将为粉葛产业高质量发展提供科技支撑。

转自：

人类基因组计划明确的内容