PvMYB26基因突变降低普通菜豆荚果开裂揭示美洲农业起源

《Molecular Plant》：Domestication-related changes at PvMYB26 reduce pod shattering in common bean and shed light on the origins of agriculture in the Americas

本研究针对普通菜豆(Phaseolus vulgaris L.)驯化过程中荚果开裂性状的遗传机制展开研究。通过QTL定位、群体遗传学和基因功能分析，发现PvMYB26基因的三种不同类型突变（8 kb启动子缺失、1 bp移码缺失/插入）分别在不同基因池中独立地被选择，导致荚果木质素含量降低44%和表达量下降306倍，从而减少荚果开裂。该研究不仅阐明了豆科植物驯化的平行进化机制，还通过单倍型分析将中美洲菜豆的驯化中心定位到墨西哥哈利斯科州东部，为理解美洲农业起源提供了重要线索。研究成果发表于《Molecular Plant》。

　　

在人类文明发展史上，植物驯化是一个革命性的转折点，它将野生植物转化为支撑现代社会的粮食作物。然而，这一转化过程如何发生，特别是关键性状的遗传基础，一直是科学家们探索的热点。普通菜豆(Phaseolus vulgaris L.)作为全球最重要的食用豆类之一，其驯化历史尤为引人关注。研究表明，这种作物曾在中美洲和南美洲安第斯山脉地区被独立驯化，形成两个主要的基因池。但一个长期悬而未决的问题是：古人是如何驯化菜豆，使其失去野生祖先那种成熟的荚果自动开裂散播种子的特性？

荚果开裂是豆科植物普遍存在的种子传播机制，干燥的荚果在成熟时会产生巨大的扭力使果皮突然开裂。这种特性在野生环境中有利于物种繁衍，但在农耕文明中却导致产量损失。因此，减少荚果开裂成为豆科植物驯化的核心特征之一。在普通菜豆中，虽然之前的研究表明PvMYB26基因可能与荚果开裂有关，但具体的因果突变及其在驯化过程中的作用仍不清楚。

为了解决这一问题，由加州大学戴维斯分校的Travis A. Parker和Paul Gepts领导的研究团队开展了一项系统性研究。他们通过遗传作图、基因表达分析、群体遗传学等多种方法，揭示了PvMYB26基因在菜豆驯化中的关键作用，并意外发现了可能存在的第三次独立驯化事件。这项研究不仅阐明了菜豆驯化的遗传基础，还为理解美洲农业起源提供了新视角。研究成果发表在植物科学领域权威期刊《Molecular Plant》上。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：利用UC Canario 707 × Wild PI 638850和Orca × Wild PI 638850两个重组自交系群体进行数量性状位点(QTL)作图；通过全基因组测序鉴定基因突变；采用实时定量PCR(qPCR)和RNA原位杂交分析基因表达模式；使用荧光显微镜观察荚果解剖结构；通过生化方法测定木质素含量；基于327份野生和栽培材料的基因组数据开展群体遗传学分析（包括选择清除、Tajima's D、F_ST和XP-EHH分析）；利用BLAST比对和单倍型网络分析追溯驯化地理起源。

变异荚果性状定位到PvMYB26和PvPDH1

研究团队首先构建了两个重组自交系群体，分别以栽培品种与野生材料为亲本，对荚果开裂相关性状进行了精确测量。结果表明，荚果扭力数和荚果开裂比例在两个群体中均呈显著相关。遗传作图发现，控制荚果扭力的主要QTL位于5号染色体上的38.6-38.8 Mb区域，而该区域正好包含了候选基因PvMYB26。同时，在3号染色体上检测到另一个次要QTL，对应已知的PvPDH1基因。对于荚果开裂性状，在两个群体中均检测到分别靠近PvPDH1和PvMYB26的显著QTL。重要的是，这些位点之间没有检测到显著的互作效应，表明它们以加性方式共同调控荚果开裂。

缺失消除中美洲栽培种群中PvMYB26的启动子和转录起始位点

通过对亲本材料进行全基因组测序比较，研究人员在中美洲栽培亲本（Orca和UC Canario 707）中发现了一个8 kb的缺失突变，该突变恰好位于PvMYB26基因的转录起始位点区域。这一缺失不仅消除了61 bp的5'非翻译区，还删除了超过8 kb的启动子序列，其中包括两个在豆科植物中高度保守的非编码序列 motif。系统进化分析显示，这些保守序列在菜豆属和豇豆属的六个物种中保持高度一致，表明它们可能具有重要的调控功能。

基因表达和木质化在具有PvMYB26 TSS/启动子缺失的类型中显著降低

为了验证这一缺失的功能效应，研究团队通过qPCR分析了不同发育时期荚果中PvMYB26的表达水平。结果发现，在花后7天，缺失突变体的基因表达量比野生型低18.3倍；到花后20天，这一差异扩大至306倍。同时，对已发表转录组数据的分析也证实了突变体中PvMYB26表达的显著降低。解剖和生化分析进一步显示，突变体荚果的木质化壁层纤维沉积明显减少，木质素含量从野生型的6.0%降至3.4%，降幅达43.5%。RNA原位杂交结果表明，PvMYB26的表达特异性地位于荚果壁的木质化壁层细胞中，而在缺失突变体中几乎检测不到杂交信号。

125 kb的驯化相关选择清除发生在PvMYB26区域

通过对327份材料的基因组数据分析，研究人员发现PvMYB26启动子缺失在中美洲栽培材料中的频率高达97.1%，而在野生材料中仅为1.8%，群体分化指数F_ST达到0.89。进一步的选择清除分析揭示，在以PvMYB26为中心的125 kb基因组区域（5号染色体43.977-44.102 Mb），栽培群体表现出显著的遗传多样性降低、Tajima's D负值以及高F_ST值，符合"硬选择清除"的特征。跨群体扩展单倍型纯合性(XP-EHH)分析也支持该区域受到了强烈选择。

1 bp PvMYB26移码缺失仅存在于安第斯栽培种

在南美洲安第斯基因池中，研究人员发现了另一种类型的PvMYB26突变：一个位于第三外显子的1 bp缺失导致阅读框移位，产生提前终止密码子，使蛋白质缩短45个氨基酸。这一突变在安第斯栽培材料中的频率为84.5%，而在安第斯野生材料中完全缺失。值得注意的是，在安第斯基因池的PvMYB26区域未检测到明显的选择清除信号，且部分栽培材料中含有来自中美洲基因池的突变单倍型，表明存在基因渗入现象。

1 bp PvMYB26移码插入存在于先前被认为"未驯化"的菜豆基因池

研究还发现，五个来自秘鲁种族的栽培材料具有独特的遗传背景，与中美洲和安第斯基因池明显不同。这些材料的PvMYB26基因携带一个1 bp插入突变，导致蛋白质缩短75个氨基酸。系统进化分析表明，这些材料与分布在厄瓜多尔和秘鲁北部的debouckii野生基因池（携带I型或"Inca" phaseolin）关系密切。这一发现暗示可能存在第三次独立（至少是部分）驯化事件。

西墨西哥作为中美洲农业的起源中心

利用PvMYB26位点近乎绝对的驯化-野生分化，研究人员通过单倍型相似性分析追溯了中美洲菜豆的驯化起源。结果显示，与栽培单倍型最相似的野生单倍型集中分布在墨西哥哈利斯科州东部和米却肯州北部地区。这一地理区域与之前通过其他分子标记推测的驯化中心高度一致，并且与玉米、南瓜等中美洲主要作物的假定驯化区域重叠，支持了"三大作物"（玉米、豆类、南瓜）可能在同一地区被共同驯化的假说。

这项研究系统揭示了PvMYB26基因在普通菜豆驯化过程中的核心作用。研究表明，在不同基因池中，通过不同的分子机制（启动子缺失、移码突变）破坏PvMYB26功能，均能导致荚果木质素含量降低和开裂抗性增强，体现了"平行进化"的驯化模式。尤为重要的是，通过精确的单倍型地理定位，将中美洲菜豆的驯化中心明确指向墨西哥西部的哈利斯科-米却肯地区，这一地区也正是中美洲农业系统"米尔帕"（milpa）中其他关键作物（玉米、南瓜）的假定起源地，为了解美洲农业起源提供了整合视角。

研究还提出了一个有趣的假设：厄瓜多尔和秘鲁北部的古代农民可能对当地的debouckii野生群体进行了初步驯化，选择了PvMYB26突变体，但随着完全驯化的安第斯菜豆从南部向北扩张，这些原始栽培种被逐渐取代，仅在现代的秘鲁种族材料中留下痕迹。这一 scenario 与北美东部作物系统在被中美洲作物引入后几乎消失的历史模式相呼应。

从更广阔的视角看，普通菜豆中PvMYB26的驯化模式与豇豆属等其它豆科作物的研究结果一致，表明MYB26同源基因在豆科植物种子传播机制的演化中可能具有普遍重要性。这种跨物种的遗传收敛性为理解作物驯化的一般规律提供了宝贵案例。

综上所述，这项研究不仅阐明了普通菜豆荚果不开裂性状的遗传基础，还通过基因视角重现了古代农民的选择历程，将作物驯化研究从基因发现提升到了文明史重建的高度。研究结果对作物遗传改良也具有重要启示，鉴定出的关键基因为未来培育抗裂荚品种提供了分子靶点，而揭示的驯化历史则有助于更有效地保护和利用菜豆遗传资源，应对全球粮食安全挑战。