基因組圖譜揭示膠乳生物合成與橡膠樹馴化史

科技日報訊 （記者趙漢斌 通訊員楊梅）橡膠樹是大戟科植物。在植物界大約2500種產膠植物中，橡膠樹產生的以聚異戊二烯為主要功能成分的天然膠乳約佔全球天然橡膠的98%以上。比起造成巨大環境污染的人工合成橡膠產業，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家重要的戰略物資。

然而，大戟科植物基因組的染色體如何進化、為什麼橡膠樹能高產膠乳以及橡膠樹在近一個世紀如何被馴化等是產膠植物研究中長期懸而未決的重大科學問題；橡膠樹的高產、抗病、抗旱、抗寒等重要經濟性狀的基因組選擇育種與優異基因資源的發掘利用也亟須達到染色體級別的高質量橡膠樹參考基因組圖譜。

熱帶作物種質資源與基因組學雲南省創新團隊首席科學家、中科院昆明植物研究所高立志研究員帶領的雲南省熱帶作物科學研究所、中國科學院昆明植物研究所和華南農業大學基因組學與生物信息學研究中心的聯合研究團隊，歷經6年，與華大基因、美國華盛頓大學、哈佛大學等單位合作，在完成了二代基因組測序與組裝的基礎上，進一步克服了橡膠樹基因組龐大、高雜合與高重複等困難，利用單分子即時測序（SMRT）和Hi-C技術，在國際上首次獲得了達到染色體級別的高質量巴西橡膠樹優良品種GT1的參考基因組序列。

與以前發表的基因組草圖比較基因組學分析表明，該研究獲得的基因組圖譜在組裝準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；研究進一步證實，在木薯屬與橡膠屬分化之前二者共同的祖先發生過古多倍化事件；通過染色體水平上的比較基因組學分析首次構建了大戟植物的染色體演化模型；通過對該高質量的橡膠樹參考基因組序列的分析發現，在與木薯分化之後，橡膠樹基因組在最近的一千萬年以來有三個LTR逆轉錄轉座子家族發生了快速爆發，使得橡膠樹基因組增大了890Mbp，增幅約為60.44%。這項研究鑑定得到與整個膠乳生物合成相關基因家族並解析了膠乳生物合成途徑及重要基因的表達式樣，發現了與基礎代謝過程、乙烯生物合成以及與乳膠停排相關的多糖和糖蛋白凝集素活動相關基因的顯著擴張；該研究最後還構建了第一張代表性野生和栽培橡膠樹的基因組變異精準圖譜，獲得約1570萬個高質量的SNPs（單核苷酸多態性）。

儘管橡膠樹僅有一個多世紀的的馴化歷史，該研究鑑定到數百個與馴化相關的候選基因，它們在栽培橡膠樹中比起野生橡膠樹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。

這項成果發表在國際植物學頂尖刊物《分子植物》上，對我國未來橡膠優異種質資源的保護、發掘與育種利用具有重要的戰略意義。