黄羽扇豆（Lupinus luteus）基因组结构解析：基因组组织、进化、基因家族扩张及代谢物与蛋白质合成研究

为解决黄羽扇豆（L. luteus）在可持续农业和粮食安全中需进一步改良的问题，研究人员开展其染色体级基因组组装研究，揭示基因组组织、进化及功能特征，鉴定抗病相关基因等，为作物改良提供资源。

　　

黄羽扇豆是一种极具潜力的高蛋白作物，其种子蛋白含量高，且具备固氮和分泌有机酸的能力，能减少酸性土壤中对化学磷肥的需求，在可持续农业中扮演重要角色。然而，当前对该物种的基因组和分子研究有限，制约了其在抗逆性、产量和种子蛋白水平等方面的改良，难以充分发挥其在全球粮食安全中的重要作用。为深入了解黄羽扇豆的遗传基础，推动其在农业生产中的应用，来自智利营养基因组学中心（CGNA）等研究机构的科研人员开展了相关研究。他们成功构建了黄羽扇豆的首个染色体级基因组组装，相关研究成果发表在《BMC Genomics》上，为黄羽扇豆的遗传改良和功能研究奠定了坚实基础。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：运用 Illumina、PacBio 和 Hi-C 测序技术对黄羽扇豆品种 AluProt-CGNA? 进行基因组测序，结合 HiFi、NGS 和 Hi-C 数据进行基因组组装与验证；通过 RepeatMasker、Augustus 等工具进行基因组注释，包括重复元件识别和基因模型预测；利用 OrthoFinder、MAFFT 等软件开展比较基因组分析和系统发育研究；采用 RGAugury、DRAGO2 等工具进行抗病基因（R 基因）的鉴定；运用 BLASTp、hmmsearch 等方法识别与生物碱 biosynthesis 和转运相关的基因。

基因组组装与验证

研究选用黄羽扇豆品种 C195（2n=2x=52），通过整合 HiFi、NGS 和 Hi-C 数据，获得了高质量的染色体级基因组组装。基因组大小约为 962.97 Mb，包含 26 条假染色体，Contig N50 为 15.38 Mb，Scaffold N50 为 37.36 Mb，BUSCO 评估显示完整性高达 98.9%（Embryophyta）和 96.2%（Fabales），表明该组装具有高度的完整性和连续性。

基因组注释

基因组中重复元件占比 76.15%，其中长末端重复（LTR）逆转座子最为丰富。共鉴定出 36,895 个蛋白编码基因，平均基因长度为 5,370 bp，并注释了非编码 RNA（ncRNA），包括 23 个 microRNA 家族、6,008 个核糖体 RNA（rRNA）等。

比较基因组分析与基因家族扩张

通过与近缘物种比较，发现黄羽扇豆与白羽扇豆（L. albus）、窄叶羽扇豆（L. angustifolius）等存在广泛的共线性，但也存在显著的染色体重排，如黄羽扇豆 8 号染色体可能由祖先染色体的易位和融合形成。基因家族分析显示，萜烯代谢、胁迫响应和伴刀豆球蛋白（conglutin）相关基因家族显著扩张，其中伴刀豆球蛋白 δ2 家族的扩张与其高营养特性密切相关。

抗病基因（R 基因）鉴定

全基因组分析鉴定出 911 个 R 基因，分为 NBS、RLP、RLK 和 TM-CC 四大类，其中 80 个 NBS 型 R 基因分布在除 2、15、18 和 20 号染色体外的所有染色体上，并形成多个基因簇。转录组分析表明，NBS 型基因在荚壁、花梗和根中表达水平较高，提示其在抗病防御中的重要作用。

生物碱 biosynthesis 与转运

鉴定出 16 个与喹嗪生物碱（QAs）和吲哚生物碱（如 gramine） biosynthesis 相关的基因，包括赖氨酸脱羧酶（LDC）、铜胺氧化酶（CAO）等关键酶基因。此外，还识别出 ABC、MATE、PUP 和 NPF 等家族的次级代谢物转运蛋白基因，其中 PUP1 同源基因可能参与 QAs 的转运。

研究通过对黄羽扇豆染色体级基因组的深入分析，揭示了其基因组组织、进化特征及关键功能基因的遗传基础。比较基因组学和基因家族分析阐明了黄羽扇豆在萜烯代谢、抗病性和蛋白质合成等方面的适应性进化机制，为理解其高营养特性和抗逆性提供了分子基础。R 基因和生物碱相关基因的鉴定为抗病育种和低毒品种的培育提供了重要靶点。该研究不仅填补了黄羽扇豆基因组研究的空白，还为其他羽扇豆属植物的功能研究和遗传改良提供了宝贵的参考资源，对推动可持续农业发展和保障全球粮食安全具有重要意义。