近日，來(lái)自中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家在橡膠樹(shù)馴化的遺傳機(jī)制解析方面取得重大突破，相關(guān)研究系統(tǒng)揭示了橡膠樹(shù)150年馴化的遺傳基礎(chǔ)。該研究不僅有助于高產(chǎn)橡膠樹(shù)品種的培育，對(duì)其他產(chǎn)膠植物的馴化也有重要的指導(dǎo)意義。
這項(xiàng)研究由中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所田維敏教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所梁承志研究員團(tuán)隊(duì)開(kāi)展。研究論文“Genomic insight into domestication of rubber tree”已在國(guó)際主流雜志《自然-通訊》(Nature Communications)上發(fā)表。
天然橡膠是一種工業(yè)原材料，對(duì)國(guó)家的工業(yè)化建設(shè)及國(guó)防安全至關(guān)重要。多年來(lái)，我國(guó)天然橡膠自給率持續(xù)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(shù)童期長(zhǎng)、結(jié)實(shí)率低，傳統(tǒng)育種周期長(zhǎng)達(dá)40年，難以高效育出良種。
橡膠樹(shù)是世界天然橡膠的主要來(lái)源。經(jīng)過(guò)一百余年的選擇和改良，目前四生代無(wú)性系熱研8-79的產(chǎn)量是未經(jīng)選擇實(shí)生樹(shù)的4倍左右，但其馴化的遺傳基礎(chǔ)有待解析。論文共同第一作者、中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所的晁金泉副研究員介紹，雖然此前學(xué)界已發(fā)布了多個(gè)版本的橡膠樹(shù)基因組，但基因組組裝質(zhì)量不理想，碎片化嚴(yán)重，大大限制其在群體遺傳學(xué)研究中的應(yīng)用。
為了揭示橡膠樹(shù)馴化分子事件，研究人員首先構(gòu)建了迄今質(zhì)量最高的橡膠樹(shù)基因組以及覆蓋最廣的橡膠樹(shù)基因組變異圖譜。通過(guò)群體結(jié)構(gòu)分析后證實(shí)，上百年的馴化已經(jīng)在基因組上留下了選擇痕跡。通過(guò)對(duì)栽培種和來(lái)自馬托格羅索州的野生種對(duì)比分析，鑒定到數(shù)十個(gè)與產(chǎn)量相關(guān)基因，栽培種這些基因的核苷酸多態(tài)性明顯低于野生種，并出現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)單倍型。
樹(shù)干樹(shù)皮中的次生乳管密切聯(lián)系著天然橡膠生產(chǎn)，是橡膠樹(shù)產(chǎn)量形成的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。與野生種相比，栽培種的橡膠產(chǎn)量顯著提高。研究發(fā)現(xiàn)，栽培種的次生乳管列數(shù)量遠(yuǎn)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(shù)早期馴化的目標(biāo)性狀。
為進(jìn)一步揭示調(diào)控乳管分化的關(guān)鍵基因，研究人員對(duì)208份橡膠樹(shù)種質(zhì)材料進(jìn)行GWAS分析發(fā)現(xiàn)，HbPSK5基因在形成層區(qū)域特異表達(dá)。該基因的啟動(dòng)子區(qū)域存在一個(gè)與乳管數(shù)量密切關(guān)聯(lián)的SNP（G/A），乳管多的種質(zhì)基因型GG比例要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于乳管少的種質(zhì)，群體分析進(jìn)一步顯示GG基因型在橡膠樹(shù)育種過(guò)程中得到了選擇。此外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)形態(tài)學(xué)的手段，證明人工合成的磺肽素可以有效誘導(dǎo)次生乳管形成。研究人員揭示了5個(gè)HbMYC成員可轉(zhuǎn)錄激活該基因的啟動(dòng)子。在橡膠草生產(chǎn)過(guò)程中表達(dá)HbPSK5及其轉(zhuǎn)錄激活因子HbMYC26均可以顯著促進(jìn)橡膠草根部乳管形成，進(jìn)而提高天然橡膠含量。
迄今質(zhì)量最高的橡膠樹(shù)基因組
雖然已發(fā)布了多個(gè)版本的橡膠樹(shù)基因組，但基因組組裝質(zhì)量不理想，碎片化嚴(yán)重，大大限制其在群體遺傳學(xué)研究中的應(yīng)用。
“現(xiàn)代生命科學(xué)正經(jīng)歷著日新月異的發(fā)展，新手段新技術(shù)層出不窮。與其他作物相比，橡膠樹(shù)基礎(chǔ)研究薄弱，必須通過(guò)與優(yōu)勢(shì)單位聯(lián)合，借鑒其他作物的研究手段來(lái)助力橡膠樹(shù)基礎(chǔ)研究?！本瓦@樣，田維敏團(tuán)隊(duì)找到了國(guó)際著名生物信息學(xué)專(zhuān)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(jìn)京，保證了高質(zhì)量橡膠樹(shù)基因組組裝工作的完成。
一個(gè)迄今質(zhì)量最高的橡膠樹(shù)基因組以及覆蓋最廣的橡膠樹(shù)基因組變異圖譜構(gòu)建成功。正是通過(guò)這種跨學(xué)科跨單位的大團(tuán)隊(duì)合作，他們?nèi)〉昧艘幌盗袆?chuàng)新性發(fā)現(xiàn)。
目前普遍認(rèn)為橡膠樹(shù)的栽培種遺傳背景狹窄，經(jīng)過(guò)多個(gè)世代雜交導(dǎo)致遺傳多樣性降低，很難再產(chǎn)生高產(chǎn)品種。
然而，他們通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，橡膠樹(shù)野生群體可以分為三個(gè)類(lèi)群，而橡膠樹(shù)栽培種與由來(lái)自巴西西部馬托格羅索州的野生類(lèi)群相近。“栽培種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(chǎn)品種的可能，栽培種的遺傳改良仍有潛力可挖?！碧锞S敏說(shuō)。
揭示橡天然膠產(chǎn)量遺傳密碼
樹(shù)干樹(shù)皮中的的次生乳管密切聯(lián)系著天然橡膠生產(chǎn)，是橡膠樹(shù)產(chǎn)量形成的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。與野生種相比，栽培種的橡膠產(chǎn)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(tuán)隊(duì)以來(lái)就一直做這個(gè)事。通過(guò)十多年的努力，我們認(rèn)為，橡膠樹(shù)的產(chǎn)量育種應(yīng)聚焦產(chǎn)膠潛力。因此，乳管列數(shù)量和橡膠合成效率是決定橡膠樹(shù)產(chǎn)膠潛力的兩個(gè)關(guān)鍵因素。”田維敏說(shuō)。
他打了個(gè)比方，“可以把乳管想象成生產(chǎn)橡膠的‘車(chē)間’，把橡膠合成效率想象成生產(chǎn)橡膠的‘機(jī)器’，如果一個(gè)橡膠樹(shù)‘車(chē)間’又多，‘機(jī)器’效率又高，那產(chǎn)量絕對(duì)不會(huì)低?！?/span>
為了明確橡膠樹(shù)早期馴化階段是先選擇了“車(chē)間”還是“機(jī)器”，團(tuán)隊(duì)成員整整花了三年時(shí)間對(duì)115份栽培種和93份野生種進(jìn)行性狀調(diào)查，共制備了數(shù)千份的石蠟切片和采集了數(shù)百份膠乳樣品。
“這個(gè)過(guò)程確實(shí)非常辛苦，在熱帶橡膠林野外調(diào)查會(huì)遇到各種各樣的意外情況，比如眼鏡蛇，食鳥(niǎo)蛛，突如其來(lái)的暴雨等等，但團(tuán)隊(duì)成員都沒(méi)退縮，終于高質(zhì)量完成了調(diào)查工作，取得了第一手?jǐn)?shù)據(jù)?！标私鹑f(shuō)。
根據(jù)這些數(shù)據(jù)，田維敏團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)栽培種的乳管數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于野生種，而橡膠合成效率則無(wú)差異?！斑@表明人們馴化橡膠樹(shù)時(shí)是先增加‘車(chē)間’數(shù)量，‘車(chē)間’多了產(chǎn)量自然就高，而對(duì)于‘車(chē)間’里‘機(jī)器’效率的馴化還沒(méi)涉及，這很可能是下一個(gè)階段橡膠樹(shù)馴化的目標(biāo)。”晁金泉說(shuō)。
世界上有超過(guò)2000種植物可以合成天然橡膠，但目前橡膠樹(shù)仍是世界所需天然橡膠的主要來(lái)源?！岸胖?、橡膠草、銀膠菊、萵苣等產(chǎn)膠植物可以在廣大的溫帶地區(qū)生長(zhǎng)，是未來(lái)天然橡膠來(lái)源的重要補(bǔ)充?！碧锞S敏說(shuō)，但這些產(chǎn)膠植物絕大多數(shù)都處于野生狀態(tài)，尚未得到有效馴化。
“我們工作可以為這些產(chǎn)膠植物的快速馴化提供思路。”田維敏說(shuō)，例如他們發(fā)現(xiàn)乳管這個(gè)生產(chǎn)橡膠的“車(chē)間”首先得到了馴化，而其他產(chǎn)膠植物也都具有乳管，人工馴化的時(shí)候就可以挑選那些具有多乳管的材料進(jìn)行種植。
此外，橡膠草、萵苣等目前已經(jīng)建立了成熟的遺傳轉(zhuǎn)化體系，也可以通過(guò)轉(zhuǎn)化產(chǎn)量關(guān)鍵基因來(lái)快速提高產(chǎn)量。
“我們?cè)?018年就與李家洋院士團(tuán)隊(duì)開(kāi)展合作，把橡膠樹(shù)中發(fā)現(xiàn)的基因在橡膠草中進(jìn)行功能驗(yàn)證，不僅很好地完成了功能基因的驗(yàn)證工作，還發(fā)現(xiàn)一些新的生物學(xué)現(xiàn)象，這將繼續(xù)推進(jìn)雙方的深入合作?！碧锞S敏說(shuō)。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_531292.html
來(lái)源：賢集網(wǎng)
這項(xiàng)研究由中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所田維敏教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所梁承志研究員團(tuán)隊(duì)開(kāi)展。研究論文“Genomic insight into domestication of rubber tree”已在國(guó)際主流雜志《自然-通訊》(Nature Communications)上發(fā)表。
天然橡膠是一種工業(yè)原材料，對(duì)國(guó)家的工業(yè)化建設(shè)及國(guó)防安全至關(guān)重要。多年來(lái)，我國(guó)天然橡膠自給率持續(xù)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(shù)童期長(zhǎng)、結(jié)實(shí)率低，傳統(tǒng)育種周期長(zhǎng)達(dá)40年，難以高效育出良種。
橡膠樹(shù)是世界天然橡膠的主要來(lái)源。經(jīng)過(guò)一百余年的選擇和改良，目前四生代無(wú)性系熱研8-79的產(chǎn)量是未經(jīng)選擇實(shí)生樹(shù)的4倍左右，但其馴化的遺傳基礎(chǔ)有待解析。論文共同第一作者、中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所的晁金泉副研究員介紹，雖然此前學(xué)界已發(fā)布了多個(gè)版本的橡膠樹(shù)基因組，但基因組組裝質(zhì)量不理想，碎片化嚴(yán)重，大大限制其在群體遺傳學(xué)研究中的應(yīng)用。
為了揭示橡膠樹(shù)馴化分子事件，研究人員首先構(gòu)建了迄今質(zhì)量最高的橡膠樹(shù)基因組以及覆蓋最廣的橡膠樹(shù)基因組變異圖譜。通過(guò)群體結(jié)構(gòu)分析后證實(shí)，上百年的馴化已經(jīng)在基因組上留下了選擇痕跡。通過(guò)對(duì)栽培種和來(lái)自馬托格羅索州的野生種對(duì)比分析，鑒定到數(shù)十個(gè)與產(chǎn)量相關(guān)基因，栽培種這些基因的核苷酸多態(tài)性明顯低于野生種，并出現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)單倍型。
樹(shù)干樹(shù)皮中的次生乳管密切聯(lián)系著天然橡膠生產(chǎn)，是橡膠樹(shù)產(chǎn)量形成的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。與野生種相比，栽培種的橡膠產(chǎn)量顯著提高。研究發(fā)現(xiàn)，栽培種的次生乳管列數(shù)量遠(yuǎn)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(shù)早期馴化的目標(biāo)性狀。
為進(jìn)一步揭示調(diào)控乳管分化的關(guān)鍵基因，研究人員對(duì)208份橡膠樹(shù)種質(zhì)材料進(jìn)行GWAS分析發(fā)現(xiàn)，HbPSK5基因在形成層區(qū)域特異表達(dá)。該基因的啟動(dòng)子區(qū)域存在一個(gè)與乳管數(shù)量密切關(guān)聯(lián)的SNP（G/A），乳管多的種質(zhì)基因型GG比例要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于乳管少的種質(zhì)，群體分析進(jìn)一步顯示GG基因型在橡膠樹(shù)育種過(guò)程中得到了選擇。此外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)形態(tài)學(xué)的手段，證明人工合成的磺肽素可以有效誘導(dǎo)次生乳管形成。研究人員揭示了5個(gè)HbMYC成員可轉(zhuǎn)錄激活該基因的啟動(dòng)子。在橡膠草生產(chǎn)過(guò)程中表達(dá)HbPSK5及其轉(zhuǎn)錄激活因子HbMYC26均可以顯著促進(jìn)橡膠草根部乳管形成，進(jìn)而提高天然橡膠含量。
迄今質(zhì)量最高的橡膠樹(shù)基因組
雖然已發(fā)布了多個(gè)版本的橡膠樹(shù)基因組，但基因組組裝質(zhì)量不理想，碎片化嚴(yán)重，大大限制其在群體遺傳學(xué)研究中的應(yīng)用。
“現(xiàn)代生命科學(xué)正經(jīng)歷著日新月異的發(fā)展，新手段新技術(shù)層出不窮。與其他作物相比，橡膠樹(shù)基礎(chǔ)研究薄弱，必須通過(guò)與優(yōu)勢(shì)單位聯(lián)合，借鑒其他作物的研究手段來(lái)助力橡膠樹(shù)基礎(chǔ)研究?！本瓦@樣，田維敏團(tuán)隊(duì)找到了國(guó)際著名生物信息學(xué)專(zhuān)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(jìn)京，保證了高質(zhì)量橡膠樹(shù)基因組組裝工作的完成。
一個(gè)迄今質(zhì)量最高的橡膠樹(shù)基因組以及覆蓋最廣的橡膠樹(shù)基因組變異圖譜構(gòu)建成功。正是通過(guò)這種跨學(xué)科跨單位的大團(tuán)隊(duì)合作，他們?nèi)〉昧艘幌盗袆?chuàng)新性發(fā)現(xiàn)。
目前普遍認(rèn)為橡膠樹(shù)的栽培種遺傳背景狹窄，經(jīng)過(guò)多個(gè)世代雜交導(dǎo)致遺傳多樣性降低，很難再產(chǎn)生高產(chǎn)品種。
然而，他們通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，橡膠樹(shù)野生群體可以分為三個(gè)類(lèi)群，而橡膠樹(shù)栽培種與由來(lái)自巴西西部馬托格羅索州的野生類(lèi)群相近。“栽培種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(chǎn)品種的可能，栽培種的遺傳改良仍有潛力可挖?！碧锞S敏說(shuō)。
揭示橡天然膠產(chǎn)量遺傳密碼
樹(shù)干樹(shù)皮中的的次生乳管密切聯(lián)系著天然橡膠生產(chǎn)，是橡膠樹(shù)產(chǎn)量形成的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。與野生種相比，栽培種的橡膠產(chǎn)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(tuán)隊(duì)以來(lái)就一直做這個(gè)事。通過(guò)十多年的努力，我們認(rèn)為，橡膠樹(shù)的產(chǎn)量育種應(yīng)聚焦產(chǎn)膠潛力。因此，乳管列數(shù)量和橡膠合成效率是決定橡膠樹(shù)產(chǎn)膠潛力的兩個(gè)關(guān)鍵因素。”田維敏說(shuō)。
他打了個(gè)比方，“可以把乳管想象成生產(chǎn)橡膠的‘車(chē)間’，把橡膠合成效率想象成生產(chǎn)橡膠的‘機(jī)器’，如果一個(gè)橡膠樹(shù)‘車(chē)間’又多，‘機(jī)器’效率又高，那產(chǎn)量絕對(duì)不會(huì)低?！?/span>
為了明確橡膠樹(shù)早期馴化階段是先選擇了“車(chē)間”還是“機(jī)器”，團(tuán)隊(duì)成員整整花了三年時(shí)間對(duì)115份栽培種和93份野生種進(jìn)行性狀調(diào)查，共制備了數(shù)千份的石蠟切片和采集了數(shù)百份膠乳樣品。
“這個(gè)過(guò)程確實(shí)非常辛苦，在熱帶橡膠林野外調(diào)查會(huì)遇到各種各樣的意外情況，比如眼鏡蛇，食鳥(niǎo)蛛，突如其來(lái)的暴雨等等，但團(tuán)隊(duì)成員都沒(méi)退縮，終于高質(zhì)量完成了調(diào)查工作，取得了第一手?jǐn)?shù)據(jù)?！标私鹑f(shuō)。
根據(jù)這些數(shù)據(jù)，田維敏團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)栽培種的乳管數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于野生種，而橡膠合成效率則無(wú)差異?！斑@表明人們馴化橡膠樹(shù)時(shí)是先增加‘車(chē)間’數(shù)量，‘車(chē)間’多了產(chǎn)量自然就高，而對(duì)于‘車(chē)間’里‘機(jī)器’效率的馴化還沒(méi)涉及，這很可能是下一個(gè)階段橡膠樹(shù)馴化的目標(biāo)。”晁金泉說(shuō)。
世界上有超過(guò)2000種植物可以合成天然橡膠，但目前橡膠樹(shù)仍是世界所需天然橡膠的主要來(lái)源?！岸胖?、橡膠草、銀膠菊、萵苣等產(chǎn)膠植物可以在廣大的溫帶地區(qū)生長(zhǎng)，是未來(lái)天然橡膠來(lái)源的重要補(bǔ)充?！碧锞S敏說(shuō)，但這些產(chǎn)膠植物絕大多數(shù)都處于野生狀態(tài)，尚未得到有效馴化。
“我們工作可以為這些產(chǎn)膠植物的快速馴化提供思路。”田維敏說(shuō)，例如他們發(fā)現(xiàn)乳管這個(gè)生產(chǎn)橡膠的“車(chē)間”首先得到了馴化，而其他產(chǎn)膠植物也都具有乳管，人工馴化的時(shí)候就可以挑選那些具有多乳管的材料進(jìn)行種植。
此外，橡膠草、萵苣等目前已經(jīng)建立了成熟的遺傳轉(zhuǎn)化體系，也可以通過(guò)轉(zhuǎn)化產(chǎn)量關(guān)鍵基因來(lái)快速提高產(chǎn)量。
“我們?cè)?018年就與李家洋院士團(tuán)隊(duì)開(kāi)展合作，把橡膠樹(shù)中發(fā)現(xiàn)的基因在橡膠草中進(jìn)行功能驗(yàn)證，不僅很好地完成了功能基因的驗(yàn)證工作，還發(fā)現(xiàn)一些新的生物學(xué)現(xiàn)象，這將繼續(xù)推進(jìn)雙方的深入合作?！碧锞S敏說(shuō)。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_531292.html
來(lái)源：賢集網(wǎng)