揭示橡天然膠產量遺傳密碼，橡膠樹馴化遺傳機制取得重大突破
核心提示：近日，來自中國熱帶農業科學院等機構的科學家在橡膠樹馴化的遺傳機制解析方面取得重大突破，相關研究系統揭示了橡膠樹150年馴化
近日，來自中國熱帶農業科學院等機構的科學家在橡膠樹馴化的遺傳機制解析方面取得重大突破，相關研究系統揭示了橡膠樹150年馴化的遺傳基礎。該研究不僅有助于高產橡膠樹品種的培育，對其他產膠植物的馴化也有重要的指導意義。
這項研究由中國熱帶農業科學院橡膠研究所田維敏教授團隊，聯合崖州灣國家實驗室/中國科學院遺傳與發育生物學研究所李家洋院士團隊、中國科學院遺傳與發育生物學研究所梁承志研究員團隊開展。研究論文“Genomic insight into domestication of rubber tree”已在國際主流雜志《自然-通訊》(Nature Communications)上發表。
天然橡膠是一種工業原材料，對國家的工業化建設及國防安全至關重要。多年來，我國天然橡膠自給率持續偏低，2022年僅為13%。另一方面，作為一種多年生熱帶喬木，橡膠樹童期長、結實率低，傳統育種周期長達40年，難以高效育出良種。
橡膠樹是世界天然橡膠的主要來源。經過一百余年的選擇和改良，目前四生代無性系熱研8-79的產量是未經選擇實生樹的4倍左右，但其馴化的遺傳基礎有待解析。論文共同第一作者、中國熱帶農業科學院橡膠研究所的晁金泉副研究員介紹，雖然此前學界已發布了多個版本的橡膠樹基因組，但基因組組裝質量不理想，碎片化嚴重，大大限制其在群體遺傳學研究中的應用。
為了揭示橡膠樹馴化分子事件，研究人員首先構建了迄今質量最高的橡膠樹基因組以及覆蓋最廣的橡膠樹基因組變異圖譜。通過群體結構分析后證實，上百年的馴化已經在基因組上留下了選擇痕跡。通過對栽培種和來自馬托格羅索州的野生種對比分析，鑒定到數十個與產量相關基因，栽培種這些基因的核苷酸多態性明顯低于野生種，并出現了優勢單倍型。
樹干樹皮中的次生乳管密切聯系著天然橡膠生產，是橡膠樹產量形成的結構基礎。與野生種相比，栽培種的橡膠產量顯著提高。研究發現，栽培種的次生乳管列數量遠多于野生種，而橡膠合成效率差異性不大，表明乳管是橡膠樹早期馴化的目標性狀。
為進一步揭示調控乳管分化的關鍵基因，研究人員對208份橡膠樹種質材料進行GWAS分析發現，HbPSK5基因在形成層區域特異表達。該基因的啟動子區域存在一個與乳管數量密切關聯的SNP（G/A），乳管多的種質基因型GG比例要遠遠高于乳管少的種質，群體分析進一步顯示GG基因型在橡膠樹育種過程中得到了選擇。此外，通過實驗形態學的手段，證明人工合成的磺肽素可以有效誘導次生乳管形成。研究人員揭示了5個HbMYC成員可轉錄激活該基因的啟動子。在橡膠草生產過程中表達HbPSK5及其轉錄激活因子HbMYC26均可以顯著促進橡膠草根部乳管形成，進而提高天然橡膠含量。
迄今質量最高的橡膠樹基因組
雖然已發布了多個版本的橡膠樹基因組，但基因組組裝質量不理想，碎片化嚴重，大大限制其在群體遺傳學研究中的應用。
“現代生命科學正經歷著日新月異的發展，新手段新技術層出不窮。與其他作物相比，橡膠樹基礎研究薄弱，必須通過與優勢單位聯合，借鑒其他作物的研究手段來助力橡膠樹基礎研究。”就這樣，田維敏團隊找到了國際著名生物信息學專家梁承志。
為了寄送新鮮樣品，晁金泉凌晨就去橡膠林取樣，乘坐最早的航班送材料進京，保證了高質量橡膠樹基因組組裝工作的完成。
一個迄今質量最高的橡膠樹基因組以及覆蓋最廣的橡膠樹基因組變異圖譜構建成功。正是通過這種跨學科跨單位的大團隊合作，他們取得了一系列創新性發現。
目前普遍認為橡膠樹的栽培種遺傳背景狹窄，經過多個世代雜交導致遺傳多樣性降低，很難再產生高產品種。
然而，他們通過數據分析發現，橡膠樹野生群體可以分為三個類群，而橡膠樹栽培種與由來自巴西西部馬托格羅索州的野生類群相近?！霸耘喾N的遺傳多樣性與野生種相比并未下降，這表明栽培種之間的雜交仍具有得到高產品種的可能，栽培種的遺傳改良仍有潛力可挖。”田維敏說。
揭示橡天然膠產量遺傳密碼
樹干樹皮中的的次生乳管密切聯系著天然橡膠生產，是橡膠樹產量形成的結構基礎。與野生種相比，栽培種的橡膠產量顯著提高。這其中藏著什么樣的遺傳密碼？
“自從2004年組建團隊以來就一直做這個事。通過十多年的努力，我們認為，橡膠樹的產量育種應聚焦產膠潛力。因此，乳管列數量和橡膠合成效率是決定橡膠樹產膠潛力的兩個關鍵因素?！碧锞S敏說。
他打了個比方，“可以把乳管想象成生產橡膠的‘車間’，把橡膠合成效率想象成生產橡膠的‘機器’，如果一個橡膠樹‘車間’又多，‘機器’效率又高，那產量絕對不會低?！?/span>
為了明確橡膠樹早期馴化階段是先選擇了“車間”還是“機器”，團隊成員整整花了三年時間對115份栽培種和93份野生種進行性狀調查，共制備了數千份的石蠟切片和采集了數百份膠乳樣品。
“這個過程確實非常辛苦，在熱帶橡膠林野外調查會遇到各種各樣的意外情況，比如眼鏡蛇，食鳥蛛，突如其來的暴雨等等，但團隊成員都沒退縮，終于高質量完成了調查工作，取得了第一手數據?！标私鹑f。
根據這些數據，田維敏團隊發現栽培種的乳管數量遠遠高于野生種，而橡膠合成效率則無差異。“這表明人們馴化橡膠樹時是先增加‘車間’數量，‘車間’多了產量自然就高，而對于‘車間’里‘機器’效率的馴化還沒涉及，這很可能是下一個階段橡膠樹馴化的目標。”晁金泉說。
世界上有超過2000種植物可以合成天然橡膠，但目前橡膠樹仍是世界所需天然橡膠的主要來源。“杜仲、橡膠草、銀膠菊、萵苣等產膠植物可以在廣大的溫帶地區生長，是未來天然橡膠來源的重要補充?！碧锞S敏說，但這些產膠植物絕大多數都處于野生狀態，尚未得到有效馴化。
“我們工作可以為這些產膠植物的快速馴化提供思路?！碧锞S敏說，例如他們發現乳管這個生產橡膠的“車間”首先得到了馴化，而其他產膠植物也都具有乳管，人工馴化的時候就可以挑選那些具有多乳管的材料進行種植。
此外，橡膠草、萵苣等目前已經建立了成熟的遺傳轉化體系，也可以通過轉化產量關鍵基因來快速提高產量。
“我們在2018年就與李家洋院士團隊開展合作，把橡膠樹中發現的基因在橡膠草中進行功能驗證，不僅很好地完成了功能基因的驗證工作，還發現一些新的生物學現象，這將繼續推進雙方的深入合作?！碧锞S敏說。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_531292.html
來源：賢集網
這項研究由中國熱帶農業科學院橡膠研究所田維敏教授團隊，聯合崖州灣國家實驗室/中國科學院遺傳與發育生物學研究所李家洋院士團隊、中國科學院遺傳與發育生物學研究所梁承志研究員團隊開展。研究論文“Genomic insight into domestication of rubber tree”已在國際主流雜志《自然-通訊》(Nature Communications)上發表。
天然橡膠是一種工業原材料，對國家的工業化建設及國防安全至關重要。多年來，我國天然橡膠自給率持續偏低，2022年僅為13%。另一方面，作為一種多年生熱帶喬木，橡膠樹童期長、結實率低，傳統育種周期長達40年，難以高效育出良種。
橡膠樹是世界天然橡膠的主要來源。經過一百余年的選擇和改良，目前四生代無性系熱研8-79的產量是未經選擇實生樹的4倍左右，但其馴化的遺傳基礎有待解析。論文共同第一作者、中國熱帶農業科學院橡膠研究所的晁金泉副研究員介紹，雖然此前學界已發布了多個版本的橡膠樹基因組，但基因組組裝質量不理想，碎片化嚴重，大大限制其在群體遺傳學研究中的應用。
為了揭示橡膠樹馴化分子事件，研究人員首先構建了迄今質量最高的橡膠樹基因組以及覆蓋最廣的橡膠樹基因組變異圖譜。通過群體結構分析后證實，上百年的馴化已經在基因組上留下了選擇痕跡。通過對栽培種和來自馬托格羅索州的野生種對比分析，鑒定到數十個與產量相關基因，栽培種這些基因的核苷酸多態性明顯低于野生種，并出現了優勢單倍型。
樹干樹皮中的次生乳管密切聯系著天然橡膠生產，是橡膠樹產量形成的結構基礎。與野生種相比，栽培種的橡膠產量顯著提高。研究發現，栽培種的次生乳管列數量遠多于野生種，而橡膠合成效率差異性不大，表明乳管是橡膠樹早期馴化的目標性狀。
為進一步揭示調控乳管分化的關鍵基因，研究人員對208份橡膠樹種質材料進行GWAS分析發現，HbPSK5基因在形成層區域特異表達。該基因的啟動子區域存在一個與乳管數量密切關聯的SNP（G/A），乳管多的種質基因型GG比例要遠遠高于乳管少的種質，群體分析進一步顯示GG基因型在橡膠樹育種過程中得到了選擇。此外，通過實驗形態學的手段，證明人工合成的磺肽素可以有效誘導次生乳管形成。研究人員揭示了5個HbMYC成員可轉錄激活該基因的啟動子。在橡膠草生產過程中表達HbPSK5及其轉錄激活因子HbMYC26均可以顯著促進橡膠草根部乳管形成，進而提高天然橡膠含量。
迄今質量最高的橡膠樹基因組
雖然已發布了多個版本的橡膠樹基因組，但基因組組裝質量不理想，碎片化嚴重，大大限制其在群體遺傳學研究中的應用。
“現代生命科學正經歷著日新月異的發展，新手段新技術層出不窮。與其他作物相比，橡膠樹基礎研究薄弱，必須通過與優勢單位聯合，借鑒其他作物的研究手段來助力橡膠樹基礎研究。”就這樣，田維敏團隊找到了國際著名生物信息學專家梁承志。
為了寄送新鮮樣品，晁金泉凌晨就去橡膠林取樣，乘坐最早的航班送材料進京，保證了高質量橡膠樹基因組組裝工作的完成。
一個迄今質量最高的橡膠樹基因組以及覆蓋最廣的橡膠樹基因組變異圖譜構建成功。正是通過這種跨學科跨單位的大團隊合作，他們取得了一系列創新性發現。
目前普遍認為橡膠樹的栽培種遺傳背景狹窄，經過多個世代雜交導致遺傳多樣性降低，很難再產生高產品種。
然而，他們通過數據分析發現，橡膠樹野生群體可以分為三個類群，而橡膠樹栽培種與由來自巴西西部馬托格羅索州的野生類群相近?！霸耘喾N的遺傳多樣性與野生種相比并未下降，這表明栽培種之間的雜交仍具有得到高產品種的可能，栽培種的遺傳改良仍有潛力可挖。”田維敏說。
揭示橡天然膠產量遺傳密碼
樹干樹皮中的的次生乳管密切聯系著天然橡膠生產，是橡膠樹產量形成的結構基礎。與野生種相比，栽培種的橡膠產量顯著提高。這其中藏著什么樣的遺傳密碼？
“自從2004年組建團隊以來就一直做這個事。通過十多年的努力，我們認為，橡膠樹的產量育種應聚焦產膠潛力。因此，乳管列數量和橡膠合成效率是決定橡膠樹產膠潛力的兩個關鍵因素?！碧锞S敏說。
他打了個比方，“可以把乳管想象成生產橡膠的‘車間’，把橡膠合成效率想象成生產橡膠的‘機器’，如果一個橡膠樹‘車間’又多，‘機器’效率又高，那產量絕對不會低?！?/span>
為了明確橡膠樹早期馴化階段是先選擇了“車間”還是“機器”，團隊成員整整花了三年時間對115份栽培種和93份野生種進行性狀調查，共制備了數千份的石蠟切片和采集了數百份膠乳樣品。
“這個過程確實非常辛苦，在熱帶橡膠林野外調查會遇到各種各樣的意外情況，比如眼鏡蛇，食鳥蛛，突如其來的暴雨等等，但團隊成員都沒退縮，終于高質量完成了調查工作，取得了第一手數據?！标私鹑f。
根據這些數據，田維敏團隊發現栽培種的乳管數量遠遠高于野生種，而橡膠合成效率則無差異。“這表明人們馴化橡膠樹時是先增加‘車間’數量，‘車間’多了產量自然就高，而對于‘車間’里‘機器’效率的馴化還沒涉及，這很可能是下一個階段橡膠樹馴化的目標。”晁金泉說。
世界上有超過2000種植物可以合成天然橡膠，但目前橡膠樹仍是世界所需天然橡膠的主要來源。“杜仲、橡膠草、銀膠菊、萵苣等產膠植物可以在廣大的溫帶地區生長，是未來天然橡膠來源的重要補充?！碧锞S敏說，但這些產膠植物絕大多數都處于野生狀態，尚未得到有效馴化。
“我們工作可以為這些產膠植物的快速馴化提供思路?！碧锞S敏說，例如他們發現乳管這個生產橡膠的“車間”首先得到了馴化，而其他產膠植物也都具有乳管，人工馴化的時候就可以挑選那些具有多乳管的材料進行種植。
此外，橡膠草、萵苣等目前已經建立了成熟的遺傳轉化體系，也可以通過轉化產量關鍵基因來快速提高產量。
“我們在2018年就與李家洋院士團隊開展合作，把橡膠樹中發現的基因在橡膠草中進行功能驗證，不僅很好地完成了功能基因的驗證工作，還發現一些新的生物學現象，這將繼續推進雙方的深入合作?！碧锞S敏說。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_531292.html
來源：賢集網
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