Cell Genomics | FT2T计划：构建豆科T2T基因组资源体系
文章导读：
共生固氮（SNF）是植物与固氮微生物通过根瘤共生将大气氮转化为可利用氮源的过程，对维持农业生产和减少氮肥投入具有重要作用。然而，SNF的进化起源及根瘤性状的获得与丧失机制仍存在争议，目前主要包括“单一起源、多次丧失”和“多次独立起源”两种假说。豆科植物是固氮类群中最主要的成员，也是研究根瘤共生固氮进化的理想材料。随着基因组学和系统发育研究的发展，解析豆科植物结瘤与固氮相关基因及其进化规律，将有助于揭示SNF的起源与演化机制。
崖州湾国家实验室王海峰教授于2026年6月10日在著名期刊Cell Genomics发表了标题为“Toward telomere-to-telomere genomics in Fabaceae: Unlocking comparative and functional insights into symbiotic nitrogen fixation”的观点论文，文中提出了Fabaceae T2T计划，旨在构建大规模豆科植物T2T基因组资源体系，建立从基因组完整解析到共生固氮起源机制解析的系统研究框架，进而揭示根瘤共生固氮产生、演化与丧失的分子基础和进化规律。
主要研究成果
1.T2T基因组及其组装策略
本文提出整合PacBio HiFi、ONT超长读长和Hi-C测序技术，建立了完整的T2T基因组组装流程，实现染色体从端粒到端粒的高质量组装。通过de novo组装、染色体锚定、缺口填补以及端粒和着丝粒区域解析，获得高完整性染色体级基因组。组装结果经BUSCO、QV评分及端粒和着丝粒数量等指标验证，并结合转录组数据优化基因注释。该策略能够有效解析复杂基因组区域，为比较基因组学研究、基因功能解析及重要农艺性状挖掘提供高质量参考基因组资源。
图1：T2T基因组组装流程及技术优势
2.豆科植物基因组研究进展
过去十年，豆科植物基因组研究快速发展，已完成81个属、167个物种的基因组测序，其中超过100个达到染色体水平，但仅约10个达到T2T水平。研究重点主要包括提升基因组质量和扩大物种覆盖范围，例如大豆Wm82 v6和蒺藜苜蓿Mt4.0等高质量基因组的发布，推动了结构变异、GWAS及基因家族演化研究；而含羞草亚科等非模式类群基因组的补充，则揭示了WGD、新生基因起源和环境适应机制。部分研究还发现，NFR5/NFP和NIN可能与结瘤能力丧失有关，RRS和PHYS参与根瘤形成及环境适应。然而，目前豆科基因组资源仍集中于蝶形花亚科，且多数基因组难以解析端粒、着丝粒等复杂区域。
图2：豆科植物的系统发育与多样性
3.豆科植物T2T基因组的优势
已有研究表明，T2T组装不仅发现了大量遗漏序列和重要结构变异，还能够揭示着丝粒演化、基因组重排以及复杂性状形成的遗传基础。例如，大豆T2T基因组新增约26 Mb基因组序列并发现大型染色体倒位，花生T2T基因组则揭示了亚基因组重组及多倍体演化过程。作者认为，当前豆科植物T2T资源仍主要集中于少数模式物种，难以支撑共生固氮（SNF）起源与演化等关键科学问题研究。因此，需要构建更多覆盖不同豆科谱系的T2T基因组，以解析传统基因组无法捕获的关键遗传信息，重建根瘤形成和固氮调控网络的演化历史，并为验证共生固氮单一起源或多次起源假说提供重要证据。
表1：豆科植物主要类群代表物种高质量参考基因组概况
4.豆科植物T2T计划（Fabaceae T2T Initiative，FT2T）
为解决当前豆科植物基因组资源覆盖不足、组装完整性有限以及SNF演化机制不清晰等问题，本文作者提出了豆科植物T2T计划（Fabaceae T2T Initiative, FT2T），拟构建覆盖豆科六个亚科约100个代表性物种的高质量T2T参考基因组，该计划围绕四个核心目标展开：
（1）构建覆盖豆科主要谱系的高质量近T2T或T2T参考基因组资源；
（2）重建根瘤共生固氮调控网络的进化历史；
（3）鉴定并功能验证2-3个进化保守且功能关键的固氮核心基因；
（4）建立覆盖整个豆科家族的泛基因组资源。
通过系统解析端粒、着丝粒及高度重复区域等传统组装难以覆盖的基因组结构，FT2T有望突破现有研究瓶颈，揭示根瘤形成与固氮性状的遗传基础和演化规律，为验证共生固氮单一起源或多次起源假说、完善豆科系统发育框架以及推动豆科作物分子育种提供重要支撑。
文章小结
本文围绕豆科植物共生固氮（SNF）研究面临的关键瓶颈展开讨论。作者指出，当前关于根瘤固氮究竟是单一起源还是多次独立起源仍存在争议，而现有豆科基因组资源在分类覆盖和组装完整性方面存在明显不足。T2T基因组能够完整解析端粒、着丝粒及高度重复区域，为研究根瘤形成、固氮调控网络及其演化机制提供新的技术突破。基于此，作者提出FT2T计划，拟构建覆盖豆科六个亚科约100个代表性物种的T2T基因组资源，通过比较基因组学和泛基因组学研究，解析共生固氮的遗传基础、调控网络及起源模式。