染色体级别橡胶基因组揭秘乳胶生物合成

巴西橡胶树是大戟科植物。在植物王国大约2500个橡胶生产厂中，以聚异戊二烯为主要功能成分的橡胶树生产的天然胶乳占世界天然橡胶的98%以上。

与可能造成巨大环境污染的人工合成橡胶工业相比，天然橡胶因其良好的弹性、延展性和耐老化性等综合物理化学性能而不可替代，是任何国家都必须具备的重要战略材料。因此，巴西橡胶树种质资源和基因组学研究已成为国际竞争的热点领域。

最近，由云南省热带作物种质资源与基因组创新团队、云南省热带作物科学研究所、中国科学院昆明植物研究所和华南农业大学基因组与生物信息学研究中心首席科学家高率领的联合研究小组，与华大基因、华盛顿大学、哈佛大学等单位进行了6年的合作。在橡胶树第二代基因组测序和组装完成的基础上，进一步克服了橡胶树基因组庞大、杂合性高、重复率高的困难，利用单分子实时测序(SMRT)和高-C技术，在世界上首次获得了具有染色体水平的优质橡胶树优良品种GT1的参考基因组序列。相关结果发表在《分子植物》杂志上。

巴西橡胶树起源于巴西的亚马逊河流域。历史记载，它的驯化始于1896年，并传播到亚洲。进入21世纪以来，云南橡胶种植总面积、总产量和单位面积产量均居全国首位。云南已经成为中国最大最好的天然橡胶生产基地。

“但目前，中国的年天然橡胶产量仍不到年消费量的20%，远低于国际公认的30%安全保证线。”高丽芝在接受《中国科学》采访时说。

从2013年到2016年，马来西亚、泰国和中国的研究团队使用第二代或第二代和第三代测序的混合装配技术，发表了4份巴西橡胶树基因组草图。然而，大戟科植物的基因组染色体是如何进化的，为什么橡胶树能产生高的胶乳产量，以及橡胶树在过去的一个世纪中是如何被驯化的，这些仍然是橡胶生产植物研究中长期未解决的主要科学问题。

这对橡胶树高产、抗病、抗旱、抗寒等重要经济性状的基因组选择育种和优良基因资源的开发利用非常重要高丽芝说，迫切需要获得一个高质量的具有染色体水平的巴西橡胶树参考基因组图谱，这不仅是为了解决科学问题，也是为了提高我国橡胶年产量的实际应用水平。

与以前发表的基因组草图的比较基因组学分析相比，本研究中获得的基因组图谱在装配精度和完整性方面有了很大的提高，大约1.47Gb的装配基因组序列被安装在18个假染色体上。

该研究进一步证实了木薯和橡胶的共同祖先在分化之前经历了古代多倍体化。“通过染色体水平的比较基因组学分析，我们首次构建了狼毒大戟的染色体进化模型。”云南热带作物科学研究所的研究员刘坤解释说，在与木薯分化后，橡胶树基因组在过去1000万年中在三个LTR反转座子家族中迅速爆炸，橡胶树基因组增加了890个碱基对(约60.44%)。

本研究通过对整个胶乳生物合成相关基因家族的分析，揭示了胶乳生物合成的途径和重要基因的表达模式。“我们发现与基础代谢过程、乙烯生物合成、多糖和糖蛋白凝集素活性相关的基因显著扩增，并与胶乳回收有关。”刘坤说道。

最后，本研究还构建了第一张具有代表性的野生和栽培橡胶树基因组变异图，获得了约1570万个高质量的单核苷酸多态性位点。

虽然橡胶树只有一个多世纪的驯化历史，但该研究确定了数百个与驯化相关的候选基因，与野生橡胶树相比，这些基因在栽培橡胶树中具有极低的基因组多样性，其中一些基因与胶乳生物合成密切相关。

巴西橡胶树重要参考基因组的获得、胶乳生物合成代谢途径的分析、栽培和野生巴西橡胶树基因组变异精确图谱的构建以及栽培巴西橡胶树驯化的认识，对我国未来优良橡胶种质资源的保护、开发和育种利用具有重要的战略意义高丽芝说。

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.molp.2019.10.017