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基因组图谱揭示 胶乳生物合成与橡胶树驯化史

2019-12-2409:56:02来源:科技日报

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科技日报讯 (记者赵汉斌 通讯员杨梅)橡胶树是大戟科植物。在植物界大约2500种产胶植物中,橡胶树产生的以聚异戊二烯为主要功能成分的天然胶乳约占全球天然橡胶的98%以上。比起造成巨大环境污染的人工合成橡胶产业,天然橡胶因其良好的弹性、伸展性、耐老化等综合理化性能成为国家重要的战略物资。

然而,大戟科植物基因组的染色体如何进化、为什么橡胶树能高产胶乳以及橡胶树在近一个世纪如何被驯化等是产胶植物研究中长期悬而未决的重大科学问题;橡胶树的高产、抗病、抗旱、抗寒等重要经济性状的基因组选择育种与优异基因资源的发掘利用也亟须达到染色体级别的高质量橡胶树参考基因组图谱。

热带作物种质资源与基因组学云南省创新团队首席科学家、中科院昆明植物研究所高立志研究员带领的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学与生物信息学研究中心的联合研究团队,历经6年,与华大基因、美国华盛顿大学、哈佛大学等单位合作,在完成了二代基因组测序与组装的基础上,进一步克服了橡胶树基因组庞大、高杂合与高重复等困难,利用单分子实时测序(SMRT)和Hi-C技术,在国际上首次获得了达到染色体级别的高质量巴西橡胶树优良品种GT1的参考基因组序列。

与以前发表的基因组草图比较基因组学分析表明,该研究获得的基因组图谱在组装准确性与完整性上都得到了极大提升;将组装获得的约1.47Gb的基因组序列挂载到了18条假染色体上;研究进一步证实,在木薯属与橡胶属分化之前二者共同的祖先发生过古多倍化事件;通过染色体水平上的比较基因组学分析首次构建了大戟植物的染色体演化模型;通过对该高质量的橡胶树参考基因组序列的分析发现,在与木薯分化之后,橡胶树基因组在最近的一千万年以来有三个LTR逆转录转座子家族发生了快速爆发,使得橡胶树基因组增大了890Mbp,增幅约为60.44%。这项研究鉴定得到与整个胶乳生物合成相关基因家族并解析了胶乳生物合成途径及重要基因的表达式样,发现了与基础代谢过程、乙烯生物合成以及与乳胶停排相关的多糖和糖蛋白凝集素活动相关基因的显著扩张;该研究最后还构建了第一张代表性野生和栽培橡胶树的基因组变异精准图谱,获得约1570万个高质量的SNPs(单核苷酸多态性)。

尽管橡胶树仅有一个多世纪的的驯化历史,该研究鉴定到数百个与驯化相关的候选基因,它们在栽培橡胶树中比起野生橡胶树具有极低的基因组多样性,其中有些基因与胶乳的生物合成密切相关。

这项成果发表在国际植物学顶尖刊物《分子植物》上,对我国未来橡胶优异种质资源的保护、发掘与育种利用具有重要的战略意义。

责任编辑:张亚亚(EK012)

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