Nature Communications | 基因组所陶永富团队联合昆士兰大学绘制豇豆泛基因组图谱，揭示豆荚长度调控遗传机制

2026年5月20日，《自然·通讯 (Nature Communications) 》在线发表了中国农科院基因组所（大鹏湾实验室）陶永富团队与昆士兰大学Emma Mace团队的研究论文，题为“Pan-genome analysis uncovers extensive structural variations in Africa's indigenous legume crop cowpea”。该研究通过组装20份覆盖全球遗传多样性的豇豆高质量基因组，结合已发表的6个参考基因组构建了首个豇豆图形泛基因组，系统构建了豇豆的结构变异图谱，揭示了结构变异在豇豆亚种分化和荚长、每荚粒数等关键农艺性状调控中的核心作用。不仅为豇豆重要农艺性状解析提供了全新视角，也为耐逆、高产、优质豇豆新品种培育提供了重要理论基础和分子工具。

一图读懂

豇豆是在非洲驯化的主要豆类作物，具有耐旱、耐贫瘠等特点。豇豆也是全球种植面积第三大的豆类作物，在非洲，亚洲，美洲等地区广泛种植。豇豆用途多样，在非洲主要作为豆类，收获干豆食用，是重要的蛋白质来源。在中国及其他东亚地区作为蔬菜，收获幼嫩果荚，是人们喜食的“豆角”；在欧美等国作为重要豆科牧草，具有生长周期短，成草快，蛋白含量高，适口性好等优势， 因此得名 “cowpea”。然而豇豆的种质资源遗传多样性及其主要农艺性状的遗传机制尚不清晰。

基因组所陶永富团队与昆士兰大学合作，从全球引进了近万份种质资源，并在此基础上筛选出20份栽培豇豆代表性材料，结合此前已发表的6个高质量基因组，共获得26份代表全球豇豆遗传多样性的基因组资源。研究发现，豇豆泛基因组中约73%的基因为核心基因，说明栽培豇豆整体基因组成相对保守；而剩余26.6%的可变基因则显著富集于抗逆响应、次生代谢等功能通路，可能是豇豆适应干旱、高温等逆境环境的重要遗传基础。

图1|豇豆种质的地理分布与基因组特征

通过全基因组比较分析，研究团队共鉴定出62,591个非冗余结构变异（SV），影响超过50%的参考基因组区域。表明在豇豆基因组中，除了传统SNP外，还存在未被充分解析的遗传变异。这些结构变异主要富集在转座子（TE，尤其是LTR反转录转座子）密集区域，并与低重组区域显著相关，说明TE活动可能是推动豇豆SV形成的重要驱动力。研究还发现，在豇豆10号染色体上存在一个长达4.8 Mb的大型倒位，该区域聚集了白粉病抗性基因RUN1及种子成熟相关基因VuMYB118，暗示SV可能通过维持关键基因簇的完整性，帮助作物适应环境变化和人工选择。

图2|豇豆基因组结构变异图谱和泛SV分析

超长果荚是菜用豇豆的重要经济性状，也是消费者和育种者关注的核心育种目标之一。研究团队基于SV-GWAS共鉴定到8个与荚长显著相关的QTL，其中6个为新发现位点。在关联信号最强的PL9.1位点，鉴定到一个由5个VuWAK基因组成的串联重复，其功能与细胞形态建成和细胞伸长相关。进一步分析表明，VuWAK-1和VuWAK-2启动子区域中的多个插入/缺失变异可显著影响基因表达水平，进而调控荚长。携带优势单倍型的材料表现出更长的豆荚，且这些优势单倍型主要存在于菜用豇豆（Vs亚种）中，说明人工选择促进了长荚相关有利变异的积累。此外，研究团队还鉴定到另一组重要候选基因VuGA2ox2。该基因编码参与赤霉素失活的关键酶，与植物激素调控密切相关。其中，VuGA2ox2-2外显子中的一个51-bp缺失变异会改变蛋白三维结构，降低其与活性赤霉素的结合能力，从而促进荚果伸长。为验证该SV的功能，将不同等位基因转化至拟南芥中进行功能分析。结果表明，携带51-bp插入型等位基因的转基因材料角果显著变短，而缺失型则无明显影响。

图3|调控豇豆荚长的结构变异鉴定

从看不见的结构变异，到决定产量与品质的重要基因，泛基因组技术正在重塑人们对作物遗传基础的理解。该研究为豇豆长荚、高产和抗逆育种提供了新的分子靶标，也为豆类作物结构变异研究和精准育种提供了重要资源。未来，研究团队将进一步开展全球核心豇豆种质资源的深度测序与群体基因组分析，构建更大规模的豇豆泛基因组与结构变异数据库，系统解析重要农艺性状及环境适应的遗传机制，并推动优异基因向分子设计育种和品种改良转化。

基因组所（大鹏湾实验室）助理研究员孙士超、博士生魏传正和昆士兰大学博士后Sofie Pearson为论文共同第一作者。基因组所（大鹏湾实验室）陶永富研究员与昆士兰大学Emma Mace教授为论文共同通讯作者。基因组所（大鹏湾实验室）张兴坦研究员、汪鸿儒研究员和昆士兰大学David Jordan教授等对本研究做出了重要指导。

该研究得到了盖茨基金会（Bill & Melinda Gates Foundation）Hy-Gain (High-yielding hybrid sorghum and cowpea seed for smallholder farmers in sub-Saharan Africa)项目的重要资助。Hy-Gain项目聚焦撒哈拉以南非洲地区的小农农业生产，旨在通过发展高产杂交高粱和豇豆品种，提高作物产量与粮食安全水平。项目重点关注利用现代基因组学与育种技术挖掘优异遗传资源，并探索固定杂种优势等前沿育种策略，以推动适合非洲农业生产条件的新型品种培育。豇豆作为非洲最重要的粮食与蛋白来源作物之一，是Hy-Gain项目重点研究对象。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-73494-2