大豆是人类和动物油脂和蛋白质的主要来源，现代栽培大豆大约在5000年前由其近亲野生大豆驯化，继而进一步选育而成。随着测序技术的发展，大豆基因组研究不断深入，从基因组图谱构建到受驯化和改良基因的不断挖掘，极大促进了大豆育种的进程。

经典一：2010年1月大豆基因组首次发表（Nature）

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189.4 Kb，ScaffoldN50达47.8 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%。

图1 大豆20条染色体组装示意图

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将加快改良大豆品种的培育。

图2 不同转录因子家族中转录因子基因在大豆和拟南芥中的分布

经典二：2010年12月31个大豆基因组重测序完成（Nature Genetics）

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。

图3 野生和栽培大豆群体遗传多样性分析

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。

经典三：2014年10月野生大豆泛基因组构建完成（Nature Biotechnology）

研究选择了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7.7-26.6 Kb，Scaffold N50约16.3-62.7 Kb。通过基因集比较分析发现，48.6%的基因为7个野生大豆所共有，超过51.4%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3.6-4.7Mb的SNP和0.50-0.77Mb的InDel。

图4 不同野生大豆间特有和共有基因统计

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。

图5 大豆开花相关基因鉴定

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。

经典四：2015年2月研究发现大豆在进化中遗传多态性明显降低（Nature Biotechnology）

中科院遗传发育研究所的研究人员，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。

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。

图6 302份大豆取样地理位置分布及大豆群体结构分析

图7 全基因组范围筛选和注释大豆在驯化和改良过程中的受选择位点

经典五：2017年8月大豆GWAS解析重要性状遗传网络（Genome Biology）

继302个大豆重测序研究之后，中科院遗传发育研究所的同一课题组，共对809份大豆进行了重测序（8.3×）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个显着关联位点，发现其中95个关联位点和其它位点存在上位性效应。

图8 809份大豆取样地理位置分布及大豆群体结构分析

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。

图9 大豆植株高度性状的GWAS分析

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。

图10 大豆的不同性状之间的关联网络分析

小编有话说

大豆基因组和泛基因组的构建及大豆重测序研究为大豆种质资源的保护、开发、利用和拓宽大豆育成品种遗传基础、推进大豆新品种培育进程提供信息资源。

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参考文献

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