豆類巨型基因組首次測序

在我們的飲食中引入更多的植物蛋白(通常富含肉類和牛奶蛋白)是食品生產(chǎn)的最新趨勢，可以減少溫室氣體排放和生物多樣性的喪失。對植物性飲食的更大依賴意味著對豆類蛋白質(zhì)生產(chǎn)的更多依賴。

豆類不依賴人工氮肥，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^與土壤細(xì)菌共生來獲取氮。蠶豆(ViciafabaL.)是古老、可持續(xù)的蛋白質(zhì)來源，具有額外的優(yōu)勢，包括高產(chǎn)潛力和非常適合在溫帶地區(qū)種植。然而，到目前為止，基因組資源一直很稀缺。這在很大程度上是因?yàn)樾Q豆的尺寸較大(13GB)。

蠶豆的龐大基因組是人類基因組的四倍、水稻基因組的30倍。事實(shí)上，基因組六條染色體中最大的一條染色體相當(dāng)于整個(gè)人類基因組。正因?yàn)槿绱?，它不可能作為一個(gè)整體來閱讀，這阻礙了科學(xué)家和育種者尋找基因的努力，這些基因?qū)⑹罐r(nóng)民更容易種植，并使工業(yè)更容易加工成美味的食物。

最近，一個(gè)國際聯(lián)盟成功解碼了巨型蠶豆基因組。研究人員報(bào)告了“蠶豆基因組的高質(zhì)量染色體規(guī)模組裝，并表明通過反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子和衛(wèi)星重復(fù)的擴(kuò)增和消除率之間的不平衡，它已擴(kuò)展到13Gb的巨大大小。”

這項(xiàng)工作發(fā)表在《自然》雜志上，論文中寫道：“巨大的二倍體蠶豆基因組解鎖了全球蛋白質(zhì)作物的變異。”

“破譯巨大的蠶豆基因組是一個(gè)重要的里程碑，”丹麥奧胡斯大學(xué)教授StigUggerhøjAndersen博士指出。“我們現(xiàn)在終于可以開始了解重要的性狀，如耐旱性、蛋白質(zhì)含量和質(zhì)量，這樣我們就可以與植物育種家一起有效地改進(jìn)它們，使蠶豆成為更具吸引力的作物。”

現(xiàn)在，一個(gè)國際研究小組已經(jīng)讀取并組裝了蠶豆的整個(gè)基因組，并確定了種子大小的關(guān)鍵基因——種子大小是一個(gè)重要的食物特征。他們使用PacBioHiFi長讀長對其基因組進(jìn)行了測序，覆蓋范圍達(dá)到20倍，并組裝了11.9Gb的序列，其中一半以上是長度超過2.7Mb的重疊群。

“改良的蠶豆將通過促進(jìn)可持續(xù)糧食系統(tǒng)為綠色生物經(jīng)濟(jì)做出貢獻(xiàn)。為了滿足日益增長的蛋白質(zhì)需求，同時(shí)保護(hù)生物多樣性和減少農(nóng)業(yè)溫室氣體排放，動(dòng)物性食品的消費(fèi)必須減少，而植物性食品的比例應(yīng)該增加。蠶豆在這方面可以提供很大幫助，”芬蘭赫爾辛基大學(xué)生物技術(shù)研究所研究負(fù)責(zé)人AlanSchulman博士說。

糧食生產(chǎn)造成了四分之一的導(dǎo)致氣候變化的溫室氣體排放，其中最大的貢獻(xiàn)來自于動(dòng)物生產(chǎn)。為歐洲種植的豆類植物蛋白具有許多好處，而蠶豆是最適合北歐和波羅的海國家的豆類。

“蠶豆是北歐非常有前景的肉類替代品和新素食和純素食品的基礎(chǔ)。它具有巨大的潛力，但只有農(nóng)民想種植它并且人們想吃它，它才能發(fā)揮作用，”舒爾曼說。

然而，蠶豆面臨著一些挑戰(zhàn)。需要抗旱和抗病能力;由于氣候變化，這些問題日益嚴(yán)重，并導(dǎo)致農(nóng)場產(chǎn)量不穩(wěn)定。應(yīng)減少或消除“豆味”，并改善加工和營養(yǎng)品質(zhì)。

“基因組的缺乏阻礙了育種者快速解決這些問題的工具的開發(fā)。只有一小部分人對蠶豆進(jìn)行了研究，并且迄今為止投資很少?，F(xiàn)在情況正在發(fā)生變化。新的基因組使研究團(tuán)隊(duì)能夠解決未來氣候所需的營養(yǎng)和加工質(zhì)量、風(fēng)味以及可持續(xù)性特征，”舒爾曼補(bǔ)充道。

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