# 墨西哥Guerrero地区菜豆野生居群与地方品种中隐藏的遗传多样性储备：驯化演化遗产的基因组解析

《Plants》：Hidden Reservoirs of Genetic Diversity in Common Bean: Wild Populations and Local Landraces Reveal the Evolutionary Legacy of Domestication in Guerrero, Mexico

　　

菜豆（Phaseolus vulgaris L.）是墨西哥粮食安全的关键作物，然而在小农农业地块中被就地保存的地方品种的遗传资源仍缺乏充分表征。研究人员利用基因分型测序（genotyping-by-sequencing, GBS）技术，评估了野生居群（W）、传统地方品种（L）以及通过当地市场流通的商品品种（M）之间的遗传多样性、群体结构与基因流。共分析73个个体和11,701个单核苷酸多态性（single-nucleotide polymorphisms, SNPs）。群体遗传学分析揭示野生居群与栽培类型（地方品种和市场品种）之间存在中等程度的分化（Fst_L-W = 0.249，Fst_M-W = 0.20），而地方品种与市场品种之间分化微弱（Fst_L-M = 0.024）。野生居群表现出最高的遗传多样性，具有最大的期望杂合度（He_W = 0.25），但同时也具有最高的近交系数（Fis_W = 0.339）。栽培类型之间的期望杂合度相近（He_L = 0.228；He_M = 0.233），仅略低于野生居群的估计值，但其水平超过了此前在Guerrero及其他墨西哥地区报道的数值。野生类型与栽培类型之间的基因流有限，而地方品种与市场品种之间的基因流较高（Nm_L-M = 10.15），凸显了种子交换网络在维持连通性与多样性方面的作用。上述发现强调了保护野生居群、地方品种及传统种子系统的重要性，以增强气候变化下的作物抗逆性与粮食安全。

**研究背景与科学问题**

气候变化通过加剧干旱、极端温度和降水格局变率，直接影响农业系统的生产力与稳定性，对全球粮食安全构成威胁。菜豆（Phaseolus vulgaris）等基础作物对热胁迫和水胁迫尤为敏感。遗传多样性是物种应对不利环境适应能力的核心组分，为自然选择提供可用的遗传变异基础。在栽培物种中，地方品种是遗传多样性的储存库，保存了与当地适应过程相关的独特等位基因组合与分化格局，这些格局源于农民世代维持的传统选择与管理。同一栽培分类单元（初级作物基因库）内的野生居群同样是重要的遗传多样性储存库，通常表现出高于栽培居群的遗传变异水平，但该格局可能受历史基因流过程、驯化带来的遗传后果（如遗传瓶颈、人工选择、近交）以及农民管理实践的影响。种子交换与通过当地市场进行的种子流通是影响作物遗传多样性结构与组成的两个重要社会文化实践。在墨西哥，当地市场被报道在就地保护中发挥基础性作用，通过交易区域生产的地方品种促进农民间的种子交换。此前关于菜豆群体结构与遗传多样性的研究显示，变异由该物种以自交为主的繁殖系统、所用分子标记类型、多样的演化与人口统计学过程以及各地区杂交或渐渗事件等因素驱动。菜豆可分为安第斯和中美洲两大基因库，其中中美洲基因库结构更复杂、遗传多样性更高，包含来自巴西、洪都拉斯、危地马拉、哥斯达黎加、哥伦比亚和墨西哥的不同遗传类群。Rodriguez等发现遗传多样性向墨西哥中部递减，尤其是Guerrero、Puebla、Morelos和墨西哥州。菜豆在墨西哥是具有重要营养、经济和社会意义的主粮作物，种植面积约169万公顷，全国产量129万吨，年人均消费量11 kg。在Guerrero，菜豆种植支撑约27,014名生产者，该州产量位居全国第六，年产量约11,155吨，生产主要由小农承担并严重依赖家庭劳动力。然而，Guerrero地方品种与野生居群共存，该地区野生中美洲菜豆居群已被鉴定为与其他野生居群明显分化的独特谱系，但该地区遗传多样性研究仍然稀少，多局限于形态学和农艺学表征。分子数据的缺乏限制了在必要时制定保护和/或保存策略。因此，研究人员旨在通过SNPs分析评估墨西哥Guerrero海岸菜豆野生与栽培居群之间的遗传多样性和结构，以及基因流的强度与方向，并分析当地市场在维持和保护这一遗传多样性中的重要性。

**关键技术方法**

研究人员在Guerrero海岸四个市（Atoyac de álvarez、Coyuca de Benítez、Tecpan de Galeana和Tecoanapa）采集菜豆种子，分为农田地方品种（L，21批）、四个市当地市场品种（M，8批）和野生居群（W，4个居群）三组，每批或每个野生居群选取2–3株（野生居群每个居群从3个母本种子批中各选1株），温室萌发后提取叶片DNA。对81个个体进行基因分型测序（GBS），双端测序，目标片段150 bp，平均测序深度10X。以菜豆参考基因组PhaVulg1_0（GCA_000499845.1）为参考，用BWA比对，SAMtools转换排序，GATK4去重、HaplotypeCaller和GenotypeGVCFs联合分型；经质量值≥30、次等位基因频率（MAF）≥0.05、双等位、缺失率≤20%等过滤，并用HDplot剔除潜在旁系同源位点后，以PLINK进行连锁不平衡（LD）修剪（窗口50个SNP、步长5、r2阈值0.5），最终保留11,701个SNPs和73个个体（野生10、地方品种41、市场22）。分析方法包括：稀疏非负矩阵分解（sNMF）推断祖先系数（K = 1–7）、邻接法（NJ）系统树（1000次自举）、主坐标分析（PCoA）、分子方差分析（AMOVA）、基于FST的成对分化与基因流（Nm）估算，以及BA3-SNPs估算近两代近期迁移率。

**研究结果**

**遗传祖先与群体结构**：研究发现交叉熵值从K = 1至K = 5显著下降，此后改善较小，故保留K = 5作为主要祖先格局的简约总结。在K = 3–5中，野生个体始终与栽培样本分化，地方品种与市场样本共享主要祖先成分并频繁出现个体内混合，表明二者遗传分化有限。NJ树解析出四个主要遗传簇：核心野生簇（含10个野生个体中的9个）、有色种子簇（以市场品种为主）、Mahapan簇（以Mahapan地方品种为主）和广泛栽培复合体（最大且组成最多样，地方品种与市场样本广泛交错分布），NJ拓扑与sNMF祖先格局仅部分一致。PCoA显示前两轴共解释28.4%的总变异，第一轴（18.28%）将野生样本与其余两组分离，栽培组之间无明显分离。AMOVA显示24.38%的分子变异归于三组间差异，75.62%归于组内个体间差异，组间分化显著（ΦST = 0.244；p = 0.001）。

**遗传分化（FST）、基因流（Nm）与近期迁移（M）**：研究发现野生样本与地方品种之间分化最强（FST = 0.249），对应受限的基因流（Nm = 0.751）；野生样本与市场品种之间格局相似但略弱（FST = 0.200；Nm = 0.998）。相反，地方品种与市场样本分化低（FST = 0.024），由FST计算的Nm值（10.153）明显高于涉及野生菜豆的比较。BA3-SNPs估计的近期迁移总体较低且不对称，非迁移者（留居者）后验平均比例从市场样本的0.816到地方品种的0.955，最高近期迁移比例由地方品种流向市场样本（0.171），最低为野生菜豆流向地方品种（0.008）。

**菜豆遗传多样性**：研究发现三组期望杂合度差异较小。野生样本（n = 10）期望杂合度最高（HE = 0.25）、近交系数最高（FIS = 0.34），但多态位点比例最低（74.5%）；地方品种与市场样本期望杂合度相近（HE = 0.23），仅略低于野生组，而多态位点比例在地方品种（82.1%）和市场样本（87.6%）中高于野生样本。

**讨论部分总结**

研究人员指出，本研究首次对墨西哥Guerrero Costa Grande地区菜豆野生、地方品种和市场品种进行基因组表征。尽管野生生境承受强烈人为压力、地方品种承受强烈驯化压力，传统农业管理制度、生态系统恢复力以及通过当地市场进行交易和种质交换的人类实践，使该地区维持了中等水平的菜豆遗传多样性，并驱动农田地方品种与市场品种之间低遗传结构。该地区遗传多样性高于此前报道的Guerrero北部材料（HE < 0.15）。野生与栽培居群之间有限的基因流表明两个基因库应作为不同实体管理，需保护野生居群的天然分布区并维护当地市场。关于驯化与遗传变异保留，驯化通常通过选择、人口瓶颈、奠基者效应和有效群体规模下降降低遗传多样性，但本研究中栽培组多样性仅较野生居群轻微下降，幅度小于一般预期；这与菜豆及其他作物中弱遗传侵蚀的报道一致，可能反映多个地方品种的持续种植、农民选种实践以及家庭间和通过当地市场的种子交换，而近期野生—栽培渐渗的作用应谨慎看待。与全球其他研究比较，Guerrero海岸栽培品种维持了高于Guerrero北部及巴西、土耳其、中美洲和安第斯材料的遗传多样性；野生居群HE = 0.25接近Rodriguez等报道的中美洲野生菜豆（HE = 0.26）。研究人员也指出采样设计的局限：每批或每个野生居群仅分析2–3个个体，可能低估特定地方品种内的遗传变异。关于生殖隔离与基因流，野生—栽培分化可能由受限的当代基因流（花期几乎不重叠）、农民介导的选择和留种实践强化，且不能排除安第斯祖先或混合的贡献；野生居群中存在栽培样本未见的遗传成分，但其样本量小，结论不宜推广。关于当地市场作为遗传交换桥梁，地方品种与市场品种间低分化与高基因流一致，但Nm值基于岛屿模型假设应谨慎解释；市场作为农业社区间遗传交换的重要桥梁和就地保护枢纽；仅检测到市场和地方品种向野生居群极微弱的近期迁移信号，表明两个储存库之间遗传独立性清晰。关于近交与杂合性格局，野生组较高的FIS（0.34）与最高的HE并存，可由该物种高自交率、野生植株在自然环境中孤立生长促进自交或近亲交配，以及野生居群小且部分隔离导致遗传漂变和近交来解释；地方品种和市场样本的负Fis表明杂合度过剩，但这些组包含多个品种和母本种子批，不应视为单一随机交配群体，其Fis估计须谨慎解释，残余过剩可能反映偶发异交或种子介导的混合。

**研究结论**：综上所述，研究结果表明Guerrero海岸地区是菜豆祖先遗传多样性的重要储存库，该多样性保存于野生居群和地方品种之中。这凸显了实施综合就地保护策略和可持续利用计划的必要性，以在保护野生居群与动态维持农民管理的地方品种之间取得平衡。此外，本研究强调了农民和当地市场作为区域遗传多样性保护、流通和维持关键行动者的基础性作用；通过种子交换、选择和商业化，这些社会文化系统积极促进独特遗传谱系的保存和持续变异的产生。在此背景下，当地市场不仅是商业场所，也是区域种质保护和遗传连通性的中心枢纽。此处鉴定的遗传多样性和祖先谱系代表有价值的潜在变异来源，构成增强菜豆（Phaseolus vulgaris）在全球气候变化挑战下抗逆性和农艺适应性的必要原材料。