基因組圖譜揭示 膠乳生物合成與橡膠樹(shù)馴化史

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     科技日?qǐng)?bào)訊 （記者趙漢斌 通訊員楊梅）橡膠樹(shù)是大戟科植物。在植物界大約2500種產(chǎn)膠植物中，橡膠樹(shù)產(chǎn)生的以聚異戊二烯為主要功能成分的天然膠乳約占全球天然橡膠的98%以上。比起造成巨大環(huán)境污染的人工合成橡膠產(chǎn)業(yè)，天然橡膠因其良好的彈性、伸展性、耐老化等綜合理化性能成為國(guó)家重要的戰(zhàn)略物資。

    然而，大戟科植物基因組的染色體如何進(jìn)化、為什么橡膠樹(shù)能高產(chǎn)膠乳以及橡膠樹(shù)在近一個(gè)世紀(jì)如何被馴化等是產(chǎn)膠植物研究中長(zhǎng)期懸而未決的重大科學(xué)問(wèn)題；橡膠樹(shù)的高產(chǎn)、抗病、抗旱、抗寒等重要經(jīng)濟(jì)性狀的基因組選擇育種與優(yōu)異基因資源的發(fā)掘利用也亟須達(dá)到染色體級(jí)別的高質(zhì)量橡膠樹(shù)參考基因組圖譜。

    熱帶作物種質(zhì)資源與基因組學(xué)云南省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家、中科院昆明植物研究所高立志研究員帶領(lǐng)的云南省熱帶作物科學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)基因組學(xué)與生物信息學(xué)研究中心的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，歷經(jīng)6年，與華大基因、美國(guó)華盛頓大學(xué)、哈佛大學(xué)等單位合作，在完成了二代基因組測(cè)序與組裝的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步克服了橡膠樹(shù)基因組龐大、高雜合與高重復(fù)等困難，利用單分子實(shí)時(shí)測(cè)序（SMRT）和Hi-C技術(shù)，在國(guó)際上首次獲得了達(dá)到染色體級(jí)別的高質(zhì)量巴西橡膠樹(shù)優(yōu)良品種GT1的參考基因組序列。

    與以前發(fā)表的基因組草圖比較基因組學(xué)分析表明，該研究獲得的基因組圖譜在組裝準(zhǔn)確性與完整性上都得到了極大提升；將組裝獲得的約1.47Gb的基因組序列掛載到了18條假染色體上；研究進(jìn)一步證實(shí)，在木薯屬與橡膠屬分化之前二者共同的祖先發(fā)生過(guò)古多倍化事件；通過(guò)染色體水平上的比較基因組學(xué)分析首次構(gòu)建了大戟植物的染色體演化模型；通過(guò)對(duì)該高質(zhì)量的橡膠樹(shù)參考基因組序列的分析發(fā)現(xiàn)，在與木薯分化之后，橡膠樹(shù)基因組在最近的一千萬(wàn)年以來(lái)有三個(gè)LTR逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子家族發(fā)生了快速爆發(fā)，使得橡膠樹(shù)基因組增大了890Mbp，增幅約為60.44%。這項(xiàng)研究鑒定得到與整個(gè)膠乳生物合成相關(guān)基因家族并解析了膠乳生物合成途徑及重要基因的表達(dá)式樣，發(fā)現(xiàn)了與基礎(chǔ)代謝過(guò)程、乙烯生物合成以及與乳膠停排相關(guān)的多糖和糖蛋白凝集素活動(dòng)相關(guān)基因的顯著擴(kuò)張；該研究最后還構(gòu)建了第一張代表性野生和栽培橡膠樹(shù)的基因組變異精準(zhǔn)圖譜，獲得約1570萬(wàn)個(gè)高質(zhì)量的SNPs（單核苷酸多態(tài)性）。

    盡管橡膠樹(shù)僅有一個(gè)多世紀(jì)的的馴化歷史，該研究鑒定到數(shù)百個(gè)與馴化相關(guān)的候選基因，它們?cè)谠耘嘞鹉z樹(shù)中比起野生橡膠樹(shù)具有極低的基因組多樣性，其中有些基因與膠乳的生物合成密切相關(guān)。

    這項(xiàng)成果發(fā)表在國(guó)際植物學(xué)頂尖刊物《分子植物》上，對(duì)我國(guó)未來(lái)橡膠優(yōu)異種質(zhì)資源的保護(hù)、發(fā)掘與育種利用具有重要的戰(zhàn)略意義。

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