豌豆是全球最重要的高产豆类作物之一。作为一种驯化植物，豌豆已有逾万年的栽培历史，最早可追溯到新石器时代的晚期。19世纪，孟德尔通过豌豆杂交发现了遗传规律和分离定律，奠定了现代遗传学的基础。豌豆具有丰富的遗传多样性，经历长时间的栽培和驯化，如今食用豌豆可分为粮用豌豆和菜用豌豆，两者在重要农艺性状和生物学性状上有明显分化。但是，粮用豌豆和菜用豌豆的遗传分化以及包括七个孟德尔性状在内的许多关键农艺性状基因尚未得到深入研究。

2024年8月5日，浙江省农业科学院菜用大豆豌豆育种研究团队联合浙江大学张明方教授等合作在国际SCI TOP期刊Nature Genetics上发表题为Reference genome sequence and population genomic analysis of peas provide insights into the genetic basis of Mendelian and other agronomic traits的文章，通过基因组组装和重测序分析等技术，完成‘浙豌1号’基因组的组装，并对包括孟德尔性状在内的57个重要农艺性状控制基因进行分析和鉴定，研究成果为豌豆分子标记育种和基因组选择育种工作提供关键指导和创新。

浙江省农业科学院、湘湖实验室刘娜副研究员和浙江大学吕小龙博士为论文共同第一作者，浙江省农业科学院龚亚明研究员、浙江大学棉花精准育种团队赵汀研究员、观赏植物基因组学团队张亮生教授、蔬菜种质创新与分子育种团队张明方教授为论文共同通讯作者。尊龙凯时为本研究提供重测序数据比对相关服务。

1.在染色体水平上组装了精英植物豌豆品种‘浙豌1号’的基因组，并分析了314份豌豆种质的重测序数据，创建了豌豆遗传变异图谱。

2.通过全基因组关联分析，确定了与57个重要农艺性状相关的候选位点，并确定了影响茎长（Le/le）、花色（A/a）、子叶色（I/i）和种子形状（R/r）四个孟德尔性状的关键基因单倍型，并对豆荚形状和种脐颜色决定基因进行深入挖掘。

3.在22个组织中构建基因表达图谱，覆盖与豆荚和种子发育相关的关键基因。

实验材料：‘浙豌1号’用于基因组组装；收集22个组织样本用于转录组测序；237份豌豆种质材料用于重测序，并和77份种质共同用于群体研究。

测序平台：DNBSEQ-T7平台用于DNA二代测序；PacBio Sequel II平台进行HiFi测序；Illumina NovaSeq 6000平台用于Hi-C测序；Sequel平台用于RNA测序。

研究方法：基因组组装及注释、群体分析、GWAS分析、BSA、转录组分析等

1.菜用豌豆‘浙豌1号’基因组组装及评估

作者采用PacBio HiFi测序和Hi-C技术，构建了‘浙豌1号’的高质量染色体水平基因组，基因组命名为PeaZW1。PeaZW1基因组大小为3.93Gb，contig N50为4.23 Mb，scaffold N50为533.44 Mb。PeaZW1基因组中共注释了43,957个蛋白编码基因，BUSCO评估为99.44%，整体碱基准确性估计为7.74×10^-4，综合评估结果表明PeaZW1为高质量基因组。

图1 豌豆间表型差异及PeaZW1基因组染色体特征

2.豌豆大规模种群遗传分析

作者选择包含豌豆野生种、驯化种和野生祖先在内的314份种质进行群体分析，其中包含237份种质的重测序数据和77份公开数据，总测序数据量超过16.38万亿个碱基对，平均深度为12.88×。通过与PeaZW1基因组进行比对，共检测到497,546,431个SNP，其中28,912,046个高质量的SNP用于种群遗传分析。
通过种群遗传分析发现，豌豆种群可被分为三组，第一组主要由野生祖先材料组成，第二组包含大多数粮用豌豆和一些菜用软荚豌豆，第三组主要包含菜用软荚豌豆、菜用硬荚豌豆和无叶型豌豆。其中，第二组和第三组中的菜用软荚豌豆间表型上存在明显差异，两组间变异差异最大的区域位于Chr 1、Chr2和Chr7，这些区域上的基因主要与真菌共生和脂质运输有关。

图2 豌豆种质的种群结构和基因组多样性

3.与孟德尔性状相关的候选基因位点挖掘

通过全基因组关联分析，作者发现PsGA3ox1基因影响多个豌豆性状，该基因上的突变影响豌豆茎长及小叶、托叶和花梗长度性状。孟德尔曾发现，花色通常与叶腋颜色共同出现，这可能是由单一基因或位点引起的多效性效应。本研究在PsbHLH基因中发现一个多效性位点，同时关联花色、叶腋颜色、茎颜色等多个性状。另外，子叶颜色关联的一个非同义突变位点被定位于Chr2上的PsSGR中，该变异引起的氨基酸改变最终导致子叶颜色改变。种子形状关联位点定位于PsSBE1基因，在该基因编码区中未检测到非同义突变，但在内含子区域检测到多个变异位点以及一个4Kb的序列缺失。

图3 孟德尔性状的GWAS分析

4.种子大小和第一花序节位遗传位点解析

除孟德尔相关性状外，本研究还挖掘了许多豌豆重要农艺性状相关位点。作者在Chr 2上挖掘到1个与种子大小（种子直径、长度和表面积）强相关的信号，该信号包含一个类动力蛋白基因，深入研究后发现两个可能与豌豆种子大小相关的剪接区域位点的突变。此外，作者在Chr 5定位到可能与种子大小相关的HSP90基因；在Chr 7定位到与第一花序节位相关的PsICS2基因；在Chr 2定位到与无叶型突变相关的af基因。这些重要农艺性状相关位点将在豌豆育种工作中有望得到进一步的拓展和应用。

5.豆荚形状和种脐色的遗传位点解析

结合前人研究结果并通过GWAS定位筛选非同义突变基因，作者最终在Chr 1中发现编码CLE蛋白的PsCLE42基因，该基因中包含一个有害突变，且主要出现在软荚菜用豌豆中。通过RNA测序和RT–qPCR进一步验证，发现PsCLE42是导致豆荚形状变异的关键基因。此外，结合BSA分析和GWAS分析结果，发现位于Chr 1的多酚氧化酶基因PsPPO1上的一个非同义突变与种脐颜色性状相关。

图4 基于GWAS和BSA的与豆荚形状候选基因鉴定

6.控制豆荚和种子发育的基因模块

作者通过WGCNA分析共识别19个模块，包含16446个基因。其中，三个模块共800个基因与豆荚发育相关性较高，这些基因主要与次生细胞壁生物合成和木质素降解过程相关，由117个基因组成的模块在根瘤中特异表达，这些基因可能与豌豆共生固氮机制相关。与可溶性糖、淀粉、脂质和蛋白质代谢相关的基因在PeaZW1中相比于PeaZW6激活得更加显著，这一结果体现出两个豌豆品种之间的代谢差异。

图5 与籽粒、豆荚和根瘤发育相关基因的鉴定

1.PeaZW1基因组大小为3.93Gb，contig N50为4.23 Mb，scaffold N50为533.44 Mb，共注释了43,957个蛋白编码基因，评估结果表明PeaZW1为高质量基因组。2.豌豆种群可被分为三组，第一组主要由野生祖先材料组成，第二组包含大多数粮用豌豆和一些菜用软荚豌豆，第三组主要包括菜用软荚豌豆、菜用硬荚豌豆和无叶型豌豆。菜用豌豆可能有着复杂的进化历史。3.通过GWAS分析对57个重要农艺性状进行了全面系统鉴定，挖掘到235个育种可用的优异位点，确定影响茎长（Le/le）、花色（A/a）、子叶色（I/i）和种子形状（R/r）四个孟德尔性状的关键基因分别为PsGA3ox1、PsbHLH、PsSGR和PsSBE1。4.通过将GWAS分析与BSA、RNA测序等结果结合，确定导致豆荚形状和种脐颜色改变的关键基因分别为PsCLE42和PsPPO1。5.通过转录组数据构建的基因表达图谱覆盖与豆荚和籽粒发育相关的关键基因，这将进一步促进豌豆的功能基因组学研究。