基因组低多样性警示：非洲地下豆(Macrotyloma geocarpum)的遗传保护与育种突破

本研究针对非洲重要但未被充分利用的豆科作物Kersting's groundnut（Macrotyloma geocarpum），通过PacBio HiFi和Omni-C技术完成首个高质量基因组组装（365.5 Mb，N50 30.6 Mb），揭示其基因组重复序列占比50.7%并注释33,193个基因。研究团队对地理多样性面板进行重测序，发现该物种遗传多样性仅为其他豆科作物的1/8-1/18，且群体按种子颜色（黑/棕/奶油色）和地理来源（西非四国）显著分化。通过FST 分析鉴定出4个与花色苷合成相关的候选基因（如Mgeo_026766/TTG1），为这一抗旱作物的遗传保护与分子育种提供关键靶点。成果发表于《Nature Communications》，为气候智慧型农业提供新资源。

　　

研究背景：被遗忘的"气候保险作物"
在西非干旱地区，一种名为Kersting's groundnut（Macrotyloma geocarpum）的豆科作物因其卓越的抗旱性和20-22%的高蛋白含量，被当地农民视为应对气候变化的"保险作物"。然而，这种作物的种植面积正逐年萎缩——真菌病害肆虐、种子供应不稳定、长达1小时的烹饪时间等问题制约其发展。更令人担忧的是，早期同工酶研究曾发现其32个位点中竟无任何变异，暗示该物种可能面临严重的遗传瓶颈。在全球气候变化加剧粮食安全的背景下，理解并保护这类"孤儿作物"的遗传资源显得尤为迫切。

香港中文大学与英国南安普顿大学的研究团队联合西非多国机构，首次完成Kersting's groundnut染色体级别基因组组装，并通过群体基因组学揭示其惊人的低多样性特征。研究证实该物种遗传多样性仅为相近豆科作物lablab的1/18，提出必须建立紧急保护策略。相关成果为利用基因组学拯救濒危作物资源提供了范式。

关键技术方法
研究采用PacBio HiFi（77.5×覆盖度）和Omni-C技术构建365.5 Mb基因组，通过LTR Assembly Index（LAI=17.2）评估为参考级质量。整合Illumina RNA-seq和Nanopore直接RNA测序完成基因注释。对来自布基纳法索、加纳、贝宁和尼日利亚的26个地理多样性材料进行全基因组重测序（平均25.6×深度），使用VCFtools和STRUCTURE分析群体结构，通过F_ST
窗口扫描鉴定种子颜色相关基因。

研究结果
1. 基因组组装

组装基因组包含50.7%重复序列，LTR反转座子占17.81%（Gypsy 6.18%，Copia 4.48%）。基因注释发现33,193个基因，其中6714个长链非编码RNA。与近缘豆科作物比较显示，尽管染色体数目不同（n=10 vs 非洲豆11条），但核心基因组结构高度保守。

2. 基因家族分析

发现701个扩张基因家族（97个显著），主要富集于光合作用相关通路（如电子传递链）；1249个收缩家族（243个显著）涉及次生代谢。56个基因家族为Kersting's groundnut特有，反映其特殊适应性。

3. 群体遗传结构

基于162,490 SNP构建的系统发育树显示：加纳/布基纳法索群体（黑/棕色种子）与贝宁/尼日利亚群体（奶油/红棕色种子）形成东西分化（F_ST
=0.132）。全基因组多样性（π）极低（0.498-0.570×10^-3
），仅为栽培豇豆的1/8。

4. 种子颜色候选基因
通过对比不同种子颜色群体的F_ST
峰值区域（如10号染色体13.2-13.3 Mb），鉴定出4个候选基因：编码花色苷糖基转移酶的Mgeo_005191、黄酮异构酶Mgeo_018029、与拟南芥透明种皮基因TTG1同源的Mgeo_026766等。值得注意的是，与普通豆P基因同源区未显示选择信号，暗示种子颜色调控机制存在物种特异性。

结论与意义
该研究首次揭示Kersting's groundnut面临严峻的遗传多样性危机——其基因组变异密度仅为其他栽培豆科的5-15%，群体高度自交（F_IS
=0.52-0.58）。这种"基因荒漠"状态可能源于其野生祖先的天然瓶颈，加之现代农业政策对次要作物的忽视。研究提出的地理保护策略（优先保存东西部群体分化）和4个种子颜色相关基因为分子标记辅助育种提供抓手。

从更广视角看，这项工作为"基因组抢救"（genome rescue）濒危作物资源树立了典范。正如作者Tsz-Yan Cheung和Mark A. Chapman强调的：在气候变化加剧的今天，理解并保护那些具有极端抗逆性但遗传基础脆弱的"保险作物"，或是保障未来粮食安全的关键防线。该研究也警示我们，那些尚未被现代育种"驯化"的作物野生近缘种，可能正以超乎想象的速度丢失着珍贵的适应基因。