PBJ | 赤小豆（红豆）高质量参考基因组+353份种质重测序GWAS分析助力豇豆属进化分析和抗病虫遗传位点解析

赤小豆是一种食用豆科作物，起源于印度支那地区，广泛种植在南亚和东南亚地区。赤小豆以其高营养价值而闻名。除此之外，赤小豆也具有对细菌性叶斑病、黄花叶病毒和豆象科害虫的抗性，这些病害对其他豆科作物来说具有毁灭性的影响。近日，印度国家植物基因组研究所Debasis Chattopadhyay研究组在Plant Biotechnology Journal发文题为“The ricebean genome provides insight into Vigna genome evolution and facilitates genetic enhancement”的文章，作者组装了一个高质量的赤小豆基因组，几乎涵盖了赤小豆的全部基因组序列，同时作者还将该基因组与遗传连锁群体相结合进行GWAS分析，鉴定了300多个潜在的重要基因组位点。

作者对高产印度赤小豆品种VRB3进行了单分子实时（SMRT）长读长基因组测序，组装了1287个contig，N50为1.71 Mb，总长度为605.22 Mb。作者还用了光学图谱数据（589.03 Gb）和Hi-C文库测序数据（145.40 Gb）校正这些contig。Illumina短读（186.45 Gb）修正碱基和填补gap。作者还通过一个超高密度的遗传连锁图谱（包含25633个SNP）对组装的scaffold进行了锚定。借助这个遗传连锁图谱，作者构建了11条染色体，总染色体长度为619.01 Mb（图1a）。光学图谱、k-mer分析和流式细胞技术分别显示了赤小豆的预计基因组长度约为578到633 Mb之间（图2）。该基因组几乎覆盖了估计基因组长度的99.5%，是迄今为止豇豆属最大的染色体水平基因组。作者还通过Iso-Seq方法生成了VRB3的转录组数据，共产生了33004个转录本，总长度为94.43 Mb。重复序列屏蔽后的基因组序列用于注释非冗余和高可信度的基因，最终鉴定到了37489个蛋白编码基因。BUSCO分析也表明赤小豆基因组的组装几乎完整.

之后，作者鉴定到了669个同源区块，包含12912个基因（占所有基因的34.44%）（图1a）。通过对五个已测序的豇豆属物种以及菜豆和大豆的同源基因家族进行聚类分析，作者发现它们共享了16696个同源基因家族，包含了195860个基因（占总基因数的48.5%）（图3）。同源基因对之间的同义替代率（Ks）分布分析表明，大约在51.23个百万年前发生了全基因组重复（WGD）事件，这与豆科植物的WGD事件相一致（图1b）。单拷贝同源基因之间的Ks值表明了赤小豆与红豆、绿豆和黑豆之间的分化时期为2.54个百万年前（图1c）。这种分化导致了赤小豆和红豆中多个基因家族的收缩与扩张（图1c）。

通过基因组对比，利用五个豇豆属作物的基因组构建了豇豆属祖先核型。外群的菜豆与豇豆属11条的祖先染色体中有9条共享的（图1d）。菜豆的第6条染色体和豇豆属祖先染色体没有同源区块，而豇豆属祖先核型的第5条染色体在菜豆染色体中没有同源区间。豇豆的染色体与豇豆属祖先核型之间是一对一对应的，表明其与豇豆属祖先染色体最为接近。

通过对代表东南亚和印度不同生态地理地区的353个赤小豆样本进行全基因组测序，共生成了1983 Gb的测序数据，平均测序深度为8.31x。作者鉴定出了总计1056万个单核苷酸多态性位点（SNPs）。所有染色体上都存在较高的核苷酸多样性，2号染色体中的一个基因组区域（约15 Mb）显示出异常低的核苷酸多样性（图1e）。该区域编码了30S核糖体蛋白、WER类转录因子和ABC转运蛋白。系统发育分析将353个样本分成七个亚群（图1f）。进化树显示大部分北印度-尼泊尔样本与印度样本聚集在一起，并且这两个亚群显示出类似的核苷酸多样性。主成分分析表明，来自北印度-尼泊尔和印度的样本经历了广泛的迁移，与来自其他地区的样本聚集在一起，这表明该地区是赤小豆扩散的主要中心。从相似的核苷酸多样性和遗传距离推断，这两个亚群群具有相同的起源。

作者利用2145937个SNP的基因型信息和353个赤小豆样本的表型数据展开了GWAS分析。在11个农艺性状和9个营养品质性状中，分别鉴定出241个和64个与之显著关联的基因组位点（图1g-k）。本研究创建的所有基因组资源整理在了数据库（www.ricebeanportal.com）中。

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.14075

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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