Hortic Res | 全球食用豆类泛组学研究进展

2025年7月，Horticulture Research在线发表了中国计量大学徐沛团队领衔著述的题为 A panomics-driven framework for the improvement of major food legume crops: advances, challenges, and future prospects 的综述论文，提出了基于泛组学的食用豆类改良框架，为未来育种提供了参考。论文首先基于食用豆类在长期的驯化和选育过程中，丢失了大量优异等位基因导致遗传基础狭窄的问题，系统总结了六大食用豆类作物在世界范围内的重要种质资源库，这些种质资源库包含了丰富的栽培和野生豆类资源，为泛组学时代的食用豆类研究提供了参考信息。

研究背景与意义

● • 豆科作物重要性：包括菜豆、蚕豆、绿豆、豇豆、鹰嘴豆和豌豆，是全球第二大作物群，富含蛋白质、矿物质，具固氮生态功能。
● • 面临挑战：产量低于谷物、遗传资源有限、抗逆性不足，亟需提升气候适应性和营养价值。
● • 技术推动：高通量表型组学（phenomics）与多组学（panomics）整合，加速基因发现与育种。

全球主要食用豆类作物产量占比（按国家划分）

种质资源与表型组学进展

● • 种质资源：全球保存超17,000份豆科种质，野生资源利用不足。
● • 表型技术：
○ • 无人机（UAV）+多光谱/热成像：用于评估株高、产量、抗旱性（如蚕豆、绿豆）。
○ • 高通量平台：如PlantArray®、LeasyScan、PlantScreen®，实现非破坏性监测水分利用、耐盐性、冷胁迫等。
○ • 近红外光谱（NIRS）：快速检测种子蛋白质、淀粉、抗营养因子（如蚕豆的vicine/convicine）。

● • 基因组里程碑：
○ • 完成所有6种作物的参考基因组（如鹰嘴豆544 Mb、蚕豆13 Gb）。
○ • 构建泛基因组（如菜豆、绿豆、豇豆），揭示结构变异与驯化选择。
● • 转录组/蛋白组/代谢组：
○ • 鉴定抗旱、耐盐、抗病关键基因（如豇豆的VuDREB2A、鹰嘴豆的CaWRKY40）。
○ • 发现调控营养品质基因（如豌豆的SbeI影响淀粉合成、菜豆的PvMTP调控铁锌积累）。

食用豆类作物基因组学的重要里程碑事件

1. 产量与品质

● • 菜豆：抗产量基因（bZIP转录因子）、锌转运蛋白（PvNRAMP9）、低棉子糖基因（RFO合成酶）。
● • 蚕豆：零单宁基因（VfTT8、TTG1）、低vicine突变（VC1）。
● • 绿豆：种子大小基因（VrKIX8）、花青素调控（VrMYB90）。
● • 豌豆：抗营养因子（胰蛋白酶抑制剂TI1/TI2）、软荚基因PsPS1。

2. 抗逆性

● • 抗旱：菜豆PvXIP1;2（水通道蛋白）、豇豆UP12_8740、豌豆PsDREB2A。
● • 耐盐：绿豆VrFRO8（铁还原酶）、鹰嘴豆CaNAS2（烟酰胺合成酶）。
● • 抗病：
○ • 菜豆抗炭疽病（PvMAPK家族）、蚕豆抗病毒（C4H/CHS通路）。
○ • 绿豆抗豆象（VrPGIP1/2）、豇豆抗锈病（Ruv2基因）。

● • 应用作物：豇豆（最早）、菜豆、豌豆、鹰嘴豆、绿豆。
● • 成功案例：
○ • 豇豆：敲除VuSYMRK阻断结瘤、编辑抗旱基因VuDREB2A。
○ • 菜豆：降低低聚糖（PvRS1/2）、提高营养。
○ • 豌豆：编辑PsLOX2改善脂肪酸风味。
○ • 绿豆：靶向MYMV病毒基因（AC1/AV1）增强抗病性。

未来方向

1. 1. 挖掘野生资源：利用未表征种质，关注烹饪品质（如易煮性）和抗营养因子。
2. 2. 分子表型组学：整合代谢组、表观组（如DNA甲基化）作为“分子表型”，加速基因定位。
3. 3. 技术优化：
      ○ • 采用Cas12等高效编辑器，突破豆科转化瓶颈。
      ○ • 开发低成本、高通量表型平台（如手机+AI）。

泛组学驱动的食用豆类研究和改良工作流程

通过整合泛基因组、表型组、表观组与基因编辑，豆科作物将更高效地实现高产、营养强化、气候适应性强的品种改良，助力全球粮食安全。
文章链接：
https://doi.org/10.1093/hr/uhaf091