近日，中国农科院深圳基因组所程时锋团队在aBIOTECH发表上综述：Innovations in Functional Genomics and Molecular Breeding of Pea: Exploring Advances and Opportunities，总结了豌豆功能基因组学和分子育种的研究进展和挑战。
简介
豌豆（Pisum sativum L.， 2n= 14）是一种寒冷季节的一年生攀缘豆科植物，被列为八大基础作物之一，最初在近东和地中海盆地驯化。 豌豆以其丰富的蛋白质、纤维、维生素和矿物质含量而闻名，因其卓越的营养成分而广受赞誉。除了人类消费之外，豌豆还被用于动物饲料、绿肥和各种工业应用。2021年，干豌豆的种植面积达到704万公顷，鲜豌豆的种植面积达到2.59 Mha，仅次于大豆（Glycine max）、花生（Arachis hypogaea）和普通豆类（Phaseolus vulgaris）的第四大豆科作物。然而，豌豆的产量仅为1700公斤/公顷，明显落后于其他豆科作物（http://www.fao.org/faostat/ ）。
鉴于世界人口的增加和耕地的减少，提高豌豆产量已成为育种的关键目标。此外，豌豆的攀爬特性需要人工棚架，导致劳动力成本更高。因此，目前的育种目标不仅包括提高产量，还包括改变植物结构以简化栽培。近十年来，豌豆功能基因组学的发展，特别是豌豆参考基因组的公布和多组学技术的整合，加深了我们对豌豆生长发育过程的理解。本文回顾了豌豆功能基因组学的演化，重点关注有利于育种的位点和基因，并探讨了未来豌豆分子育种的基因和挑战。
豌豆基因组研究进展
随着植物科学基因组学时代的到来，豌豆植物拥有 4.45 GB 的庞大基因组，与其他豆科植物相比，在基因组研究中明显落后。日本莲、大豆 和蒺藜苜蓿等豆科植物的参考基因组发布后，豌豆逐渐失去了其作为豆科中首屈一指的模式生物的地位。豌豆的这种广泛的基因组归因于其75-95%的重复序列含量，约占豌豆核DNA的76%，属于高度多样化的序列家族，具有高到中等重复性。 这些错综复杂的重复序列对NGS的早期基因组组装提出了重大挑战。
尽管二代测序的局限性使得组装豌豆的整个基因组具有挑战性，但转录组测序的出现使研究人员能够尝试在基因的转录水平上进行从头组装。 Alves-Carvalho 等人利用来自“Caméor”的 20 个 cDNA 文库，包括各种地下和空中植物组织、不同的发育阶段和营养条件，以生成一套全面的 Unigene 表达序列。同时，Sudheesh 等人利用两种常见栽培的澳大利亚田间豌豆品种“Kaspa”和“Parafield”，为田间豌豆生成了一套全面的组装和注释转录组。
随着第三代测序的兴起和二代测序成本的逐步降低，2019 年发表了第一个豌豆染色体水平参考基因组。随后，为了研究孟德尔七性状中的黄色豆荚性状，Shirasawa 等人组装了黄色豆荚材料 JI128 的参考基因组。此后，随着Hi-C技术的进步，Yang等人（2022）采用第三代测序和Hi-C相结合的方法，组装了中国主要栽培品种'ZW6'的参考基因组。与以前的参考基因组相比，完整性和准确性的显著提高。
豌豆拥有丰富的种质资源，其特点是种类繁多。美国植物种质引进和测试站已经积累了5400份豌豆种质资源，包括表型和基因型数据。同样，澳大利亚收集了6567份种质，英国的John Innes中心收集了3557份种质，都有表型和基因型数据。此外，中国农业科学院作物科学研究所已获得豌豆种质资源3837份。对核心种质群体结构和遗传多样性的研究揭示了豌豆驯化过程。
豌豆难以进行基因转化，因此需要使用突变种群来促进基因克隆、功能分析和突变育种。对不同诱变条件的广泛探索导致了各种突变方法的发展，从而产生了许多突变体。豌豆突变体的主要集合包括：（1）英国诺里奇的John Innes有575种质;（2）保加利亚普罗夫迪夫的IPGR收藏有122份种质;（3）具有TILLING诱导的局部病变的群体，由4817个品系组成;（4）一组 93 个共生突变体，利用来自不同诱变条件的突变体对豌豆的各种性状进行了全面研究。此外，孟德尔花色基因使用突变体成功克隆。
已经建立了几个与豌豆基因组学、遗传标记和种质相关的数据库。值得注意的是，这些可免费访问的数据库包括 UTILLdb，这是豌豆 EMS 突变体的存储库；PMD，专用于豌豆遗传标记；以及豌豆基因组数据库，其中包括豌豆“ZW6”参考基因组。 此外，豆类作物数据库和豆类作物育种和遗传学等综合网站迎合了冷季豆科植物的研究。SeedStor 允许对豌豆种质资源进行搜索和排序，还可以查询不同种质资源的照片和表型信息。这些数据库共同为高级豌豆研究提供了宝贵的资源。
株型结构
植物的结构主要包括叶形态、茎生长习性和分枝能力等方面。豌豆是一年生攀缘植物，需要棚架进行栽培。因此，调控植物结构是育种向简化栽培方向的关键方向，一方面在田间经营中节约资源和劳动力，另一方面通过发展更合理的植物结构来提高豌豆种群产量。在本节中，我们概述了与豌豆植物结构相关的功能基因，以帮助育种者提高豌豆产量。
共生固氮
与其他豆科植物类似，豌豆具有共生固氮（SNF）能力。虽然豌豆可以以高达165公斤/公顷的速度固氮，但在田间条件下的典型固氮范围在40至60公斤/公顷之间。这种共生关系促进了大气N2的固定。一方面，它支持豌豆的生长；另一方面，它丰富了土壤。与工业固氮不同，SNF不依赖化石燃料，不易因消化、挥发和浸出而损失，使其成为生态友好的氮源。在过去的二十年中，自首次克隆SNF相关基因NIN以来，研究人员从各种种质资源中鉴定出与豌豆SNF相关的几个关键基因。这些发现对于培育具有增强固氮特性的新豌豆品种至关重要。在这里，我们全面概述了这一时期与豌豆结瘤有关的基因组研究和育种应用。
开花期
豆类可以根据其开花时间控制分为两个不同的分支。暖季作物，如大豆和普通豆，需要短日才能开花。相反，温带、冷季作物，如豌豆、扁豆（Lens culinaris）和鹰嘴豆（Cicer arietinum）是长日照植物。豆科植物的祖先野生种由于其起源不同，需要严格的光周期诱导才能开花。然而随着时间的推移，许多控制光周期的基因发生了突变。 通过选择性育种使当今的豆科作物能够适应不同的光周期，从而可以在不同的纬度条件下进行栽培。在这些作物中，豌豆的分布最广泛，物候种类最丰富，从遗传学的角度来看，豌豆的了解最透彻。因此，它已成为研究豆科植物光周期性的开创性模式作物。在本节中，我们全面概述了与豌豆开花时间相关的功能基因，旨在帮助育种者提高豌豆作物的适应性。
豌豆花发育的遗传基础
花是被子植物的生殖器官，通过涉及众多基因协调作用的复杂过程发育。豌豆作为豌豆亚科的成员，其特征是其独特的豌豆科花，由五个花瓣组成：一个朝上的标准，两个侧翅和两个形成船状形状的龙骨。花的发育直接影响植物的授粉和结果能力，最终影响产量。在本节中，我们概述了与豌豆花器官发育相关的基因，以帮助育种者提高豌豆产量。
种子和豆荚
种子和豆荚作为豌豆植株的可食用部分，在决定豌豆产量方面起着举足轻重的作用。对豌豆种子和豆荚的发育进行了广泛的研究，特别强调种子的营养质量。本节综述了与豌豆种子和豆荚相关基因相关的研究，并概述了育种中利用的重要位点。
抗性基因
像许多作物一样，豌豆面临着一系列非生物和生物胁迫，阻碍它们的生长、产量和质量。正在进行的研究重点是了解对这些胁迫的抵抗力，旨在确保豌豆产量在不同的环境条件下保持一致。培育对生物和非生物胁迫源都有抵抗力的品种是提高包括豌豆在内的作物生产力的有效策略。因此，了解与豌豆抗逆性相关的基因并确定关键抗性位点至关重要。本节总结了豌豆中克隆的抗逆基因，并重点介绍了尚未克隆的重要抗逆位点，为今后的抗逆育种提供参考。
结论和未来展望
尽管过去几年在豌豆育种方面付出了巨大努力，但与其他豆科作物相比，豌豆产量仍然相对较低。这种差异可能主要是由于各国育种目标的重点集中在有限数量的性状上，例如卷须形成（Af 位点）、矮小（Le 位点）和白粉病抗性（Er1 Locus），导致遗传基础减少。在此，我们讨论了提高产量和加强育种的几种潜在策略，以及功能基因组学如何促进这些过程。
利用野生资源加强抗性育种
作物的野生近缘种被认为是遗传改良的宝贵资源，能够增强对不利环境条件的适应能力。在驯化过程中，豌豆经历了几个遗传瓶颈，特别是在近几十年的育种中，这大大降低了其遗传多样性。然而，野生豌豆物种作为各种基本农艺性状的供体具有巨大的潜力。Pisum fulvum对豌豆象鼻虫具有抗性、锈病和白粉病。 Pisum elatius 表现出对 Orobanche crenata 、线虫 Heterodera goettigniana、PSbMV的抗性。因此，利用野生种质资源鉴定抗性基因并将这些基因重新引入栽培豌豆品种可能是实现可持续豌豆生产的最可行方法。
通过基因组编辑进行精准育种
现阶段，豌豆育种主要依靠传统方法。然而，这些方法的特点是育种周期长，并且往往过度依赖育种者的经验。基因编辑技术在不引入外源DNA的情况下提供精确的基因组修饰，在作物改良方面具有巨大的潜力。与其他作物相比，通过基因编辑育种豌豆仍处于起步阶段。这主要是由于其基因转化方面的挑战以及合适的基因编辑工具的稀缺。公众对基因编辑食品的接受也可能是阻碍其进展的重要因素。然而，随着豌豆遗传转化技术的最新进展和豌豆适当基因编辑工具的发展，突破正在变得可以实现。 Bhowmik 等人利用豌豆中的基因编辑来修饰脂氧合酶，迅速增强加拿大优质品种豌豆种子的香气和脂肪酸谱。本研究为未来豌豆基因组编辑精准育种的发展提供了关键方向。
利用豌豆固氮能力开发合理的耕作体系
间作是一种潜在有效但未被充分利用的策略，可以提高土壤肥力，提高作物产量，最大限度地减少环境破坏，并增加农民的收入。固氮豆类与谷物的结合为改善土壤条件和减少肥料使用提供了极好的手段。玉米-大豆间作，由于其能够维持玉米产量，同时在一个季节内产生额外的大豆作物，已在世界范围内被广泛采用，成为新型豌豆栽培方法的典范。 目前，研究人员已经开始了涉及豌豆春小麦、豌豆春玉米、豌豆大麦和豌豆燕麦，取得了良好的结果。尽管如此，豌豆间作仍面临多重挑战，例如最佳间作条带分配、最佳间作品种的选择以及开发间作播种和收获的专用机械。这些问题需要进一步的科学研究。
将豆科作物纳入轮作系统往往会提高后续谷类作物的种子产量。在豌豆-小麦轮作中观察到的土壤氮有效性增加，占轮作效应（氮效益）导致种子产量提高的8-9%（根据A值评估）。在中国西南地区，春季收获的秋播豌豆提高了冬季土地利用率，增加了土壤氮素水平，从而提高了农民的收入。
标签：豌豆,基因,基因组,程时锋,种质,育种,aBIOTECH,研究进展,作物 From： https://www.cnblogs.com/miyuanbiotech/p/18249942作者简介（来源于中国农业科学院深圳研究生院官网）：
程时锋，研究员，博士生导师。国家自然科学基金委优秀青年科学基金获得者，中国农业科学院“青年英才”，深圳市重大人才项目获得者。主要从事植物比较进化基因组学、作物群体遗传学、和关键性状起源和表型演化机制的多组学ENCODE研究。
近年来重点关注trait-based的Phylo-GWAS研究方法、大规模比较进化基因组学、作物群体大数据gene-trait关联和连锁研究方法，如开发多倍体作物（小麦、燕麦等）群体多样性绘制（包括Pan-genome、Pan-SV和Pan-NLRome）和高效的GWAS关联分析基因发现工具和算法，包括开发kmer-based GWAS，PAV/SV-GWAS，eGWAS，mGWAS等。
主要项目包括：（1）“谷-豆”国际基因组联盟计划下的禾本科作物和豆科豆类比较基因组和群体基因组；（2）结瘤生物固氮分支N-fixing Root Nodule Symbiosis祖先新性状起源与多样性演化的基因表达表观调控机制；（3）C4高光合大规模比较进化基因组学，及其起源和平行演化的基因表达表观调控机制。团队先后参与完成了多个重大项目，相关研究成果以第一或通讯作者(含共同)发表在Science（2篇）、CELL、Nature Biotechnology、Plant Cell等杂志10篇，共发表SCI论文36篇，他引9000多次。多次主持国际学术研讨会并作报告，审稿
、 等多篇文章。目前拥有团队成员15名，主要来自计算机科学、基因组学、生物信息学、植物分子生物学、进化与群体遗传学等多个学科。