小豆，又名红小豆、赤豆、五色豆等，是理想的高蛋白、低脂肪、多营养、补血、多功能食品。小豆在全世界30多个国家和地区种植，在我国出口创汇农业及食品加工业中具有重要地位。
近期，中国科学家对小豆的研究取得重大进展。由北京农学院、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究人员领衔的科研团队联合华大基因研究院以及国际半干旱作物研究所，历经两年多的攻关，率先完成了小豆全基因组测序，绘制出高质量小豆基因组草图。
10月12日，相关研究成果在《美国科学院院刊》（PNAS）在线发表。小豆基因组测序的完成，为比较基因组学提供了丰富的数据资源，为小豆基因的鉴定、克隆以及分子育种奠定了重要基础。
“多年来，北京农学院在小豆研究上的积累为我们研究打下了关键的基础。”该论文通讯作者之一、北京农学院小豆科研团队的带头人万平教授在接受《中国科学报》记者采访时说。
同时，她也表示，北京农科院、中国科学院遗传与发育生物学研究所凌宏清、田志喜研究员领衔的研究团队与华大基因科研人员间紧密高效合作，也是中国科研团队在同领域国际竞争中占有一席之地的重要砝码。
丰富种质资源奠定基础
“北京农学院小豆科研团队从事相关研究已经有三十多年了。”万平告诉《中国科学报》记者，从上世纪80年代以来，北京农学院在小豆研究领域取得了令人瞩目的成果。
着名小豆育种专家金文林教授是北京农学院小豆研究的开启人，他先后培育了京农2号、京农5号、京农6号、京农7号和京农8号小豆品种，不仅让北农的小豆研究工作领跑全国，而且他本人也被日本同行誉为“中国小豆研究第一人”。
2006年，万平加入了北京农学院小豆研究团队。
然而，就在她加入不久，整个团队迎来了最严峻的考验——2007年，金文林不幸因病早逝，小豆研究也因此陷入了困局。“研究青黄不接，资金也不足。”万平回忆道，“我们经历了非常艰难的时期。”
但是，北农的小豆研究并没有因此而停滞， 团队人员坚持了下来。
“金老师收集了近1000份小豆种质资源，这项工作我们后来也一直在做，又陆续收集了600多份中外栽培和野生小豆种质资源，继续进行小豆育种，先后育成审定京农21号、京农22号、京农23号和京农24号小豆新品种。”万平说，尤其是中国野生小豆种质资源的收集上，团队取得了很大进展。
2011年，万平去日本农业生物资源研究所进行合作研究，她记得，当时日本的研究团队也非常关注中国的野生小豆资源，“但是，他们收集的中国野生小豆数量很少，而且只有7份DNA样本”。
丰富的种质资源为中国科研团队的小豆全基因组测序工作打下了坚实基础。“我们收集了1600多份中外小豆资源，同时，我们也进行了突变体库的构建，创制了1490份的突变体，”万平说，“这是进行基因定位克隆、功能基因组学和基因功能研究非常重要的基础材料。”
开始小豆基因组测序
在小豆种质资源的收集和突变体库创制的基础上，万平带领北京农学院小豆研究团队联合中国科学院遗传发育研究所、华大基因研究院和国际半干旱作物研究所等国内外研究机构开始了小豆全基因组的测序工作。
利用第二代测序技术，研究团队对小豆全基因组进行鸟枪法测序，获得了90.88 Gb有效序列，组装出了Scaffold N50为1.29 Mb的466.7Mb基因组序列，占小豆基因组（542 Mb）的86.11%。利用F2群体的基因组简化测序，构建了高分辨度SNP遗传图，并将372.9 Mb序列铆钉到了小豆相应染色体，组装出了高质量的小豆基因组框架图。基因组注释结果显示，44.51%的序列为重复序列，蛋白编码基因34，183个。
“这是重要的基础研究，小豆基因组测序的完成，将促进小豆重要农艺性状基因的鉴定、克隆和分子育种，获得的基因组信息为比较基因组学研究提供丰富的数据资源，也有助于豆科物种进化和驯化关系研究，解析豆类植物在长期进化过程中代谢差异形成的分子机制。”万平表示。 在对小豆进行全基因组测序的基础上，研究团队还对小豆和大豆籽粒淀粉和脂肪积累差异进行了解析。
“与其他豆类不同，小豆具有高淀粉、低油脂的特点。”万平解释道，“小豆中淀粉含量平均为57.06%，脂肪含量平均只有0.59%，相比之下，大豆的淀粉含量平均为25.3%，脂肪含量平均为22.5%。”
一开始，研究人员猜想是不是基因数目导致了小豆和大豆间的这种差异，但是，系统分析了小豆和大豆基因组中淀粉和油脂合成代谢途径基因的组成和拷贝数，发现两物种中相关基因数量差异并不显着。
这条路寻因未果，研究人员转换了思路，通过测序籽粒不同发育时期的转录组，分析小豆和大豆淀粉和油脂合成代谢途径基因的表达水平。 “结果发现，小豆和大豆籽粒淀粉和脂肪积累差异不是由淀粉和油脂合成相关基因数目变化引起，而是由这些基因的转录表达量所导致。”万平说，“这是研究中一个比较新颖的结论。”
同时，研究还发现，与已知豆科植物的基因组比较及共线性分析证实，小豆与菜豆亲缘关系最近，小豆的多条染色体的基因排列与菜豆染色体间存在很好的共线性。
对49份野生小豆、半野生小豆、农家品种和现代育成品种的重测序分析发现，小豆从野生种到栽培种驯化进程中有强的选择信号，并从基因组水平上证实半野生小豆与栽培小豆的关系近于野生小豆，推测半野生小豆是小豆驯化过程中的初始农家种。
在国际竞争中占一席之地
事实上，小豆这种作物虽“小”，但是同领域的科研竞争却很激烈。
就在中国小豆研究团队紧锣密鼓地进行小豆全基因测序时，国际知名豆类科学家、韩国首尔大学教授Suk-Ha Lee带领的团队也展开了小豆基因组的研究。
一场无声的比拼就此展开。“他们的研究实力非常强。”万平说，当得知韩国团队也在做同样的工作时，整个团队压力很大，“我们能做的就是保证质量和不断加快进度。”
在此过程中，中国科学院遗传发育所、华大基因研究院的科研团队发挥了重要作用。“整个团队齐心协力、密切合作。”
团队最终向PNAS投出了论文，经过长达半年的等待，在补充实验材料、进行补充实验等工作的基础上，研究团队对论文进行了二次修改，论文于2015年10月12日发表。
目前，小豆在世界三十多个国家种植，因其生育期短，适应性广，耐瘠薄，富含B族维生素、铁、钙等物质和萜类、异黄酮、皂苷等生物活性物质，具有祛热、解毒、消肿等药用功效，具有降血糖、降血脂、减肥和抗肿瘤作用。在改善膳食结构、调整种植业结构和耕作制度、资源节约型农业、固氮环保、发展出口创汇农业方面有着重要作用。
小豆全基因组测序的完成为比较基因组学提供了丰富的数据资源，为小豆基因的鉴定、克隆以及分子育种奠定了重要基础。
“现在测得蛋白编码基因34183个，其中有功能的基因是2万多个，还有6800多个基因的功能仍未知，下一步我们将继续展开基因克隆、功能基因组学和分子育种的研究，培育小豆新品种，服务农业生产。”万平表示。
