这项研究由中国热带农业科学院橡胶研究所田维敏教授团队，联合崖州湾国家实验室/中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士团队、中国科学院遗传与发育生物学研究所梁承志研究员团队开展。研究论文“Genomic insight into domestication of rubber tree”已在国际主流杂志《自然-通讯》(Nature Communications)上发表。
天然橡胶是一种工业原材料，对国家的工业化建设及国防安全至关重要。多年来，我国天然橡胶自给率持续偏低，2022年仅为13%。另一方面，作为一种多年生热带乔木，橡胶树童期长、结实率低，传统育种周期长达40年，难以高效育出良种。
橡胶树是世界天然橡胶的主要来源。经过一百余年的选择和改良，目前四生代无性系热研8-79的产量是未经选择实生树的4倍左右，但其驯化的遗传基础有待解析。论文共同第一作者、中国热带农业科学院橡胶研究所的晁金泉副研究员介绍，虽然此前学界已发布了多个版本的橡胶树基因组，但基因组组装质量不理想，碎片化严重，大大限制其在群体遗传学研究中的应用。
为了揭示橡胶树驯化分子事件，研究人员首先构建了迄今质量最高的橡胶树基因组以及覆盖最广的橡胶树基因组变异图谱。通过群体结构分析后证实，上百年的驯化已经在基因组上留下了选择痕迹。通过对栽培种和来自马托格罗索州的野生种对比分析，鉴定到数十个与产量相关基因，栽培种这些基因的核苷酸多态性明显低于野生种，并出现了优势单倍型。
树干树皮中的次生乳管密切联系着天然橡胶生产，是橡胶树产量形成的结构基础。与野生种相比，栽培种的橡胶产量显著提高。研究发现，栽培种的次生乳管列数量远多于野生种，而橡胶合成效率差异性不大，表明乳管是橡胶树早期驯化的目标性状。
为进一步揭示调控乳管分化的关键基因，研究人员对208份橡胶树种质材料进行GWAS分析发现，HbPSK5基因在形成层区域特异表达。该基因的启动子区域存在一个与乳管数量密切关联的SNP（G/A），乳管多的种质基因型GG比例要远远高于乳管少的种质，群体分析进一步显示GG基因型在橡胶树育种过程中得到了选择。此外，通过实验形态学的手段，证明人工合成的磺肽素可以有效诱导次生乳管形成。研究人员揭示了5个HbMYC成员可转录激活该基因的启动子。在橡胶草生产过程中表达HbPSK5及其转录激活因子HbMYC26均可以显著促进橡胶草根部乳管形成，进而提高天然橡胶含量。
迄今质量最高的橡胶树基因组
虽然已发布了多个版本的橡胶树基因组，但基因组组装质量不理想，碎片化严重，大大限制其在群体遗传学研究中的应用。
“现代生命科学正经历着日新月异的发展，新手段新技术层出不穷。与其他作物相比，橡胶树基础研究薄弱，必须通过与优势单位联合，借鉴其他作物的研究手段来助力橡胶树基础研究。”就这样，田维敏团队找到了国际著名生物信息学专家梁承志。
为了寄送新鲜样品，晁金泉凌晨就去橡胶林取样，乘坐最早的航班送材料进京，保证了高质量橡胶树基因组组装工作的完成。
一个迄今质量最高的橡胶树基因组以及覆盖最广的橡胶树基因组变异图谱构建成功。正是通过这种跨学科跨单位的大团队合作，他们取得了一系列创新性发现。
目前普遍认为橡胶树的栽培种遗传背景狭窄，经过多个世代杂交导致遗传多样性降低，很难再产生高产品种。
然而，他们通过数据分析发现，橡胶树野生群体可以分为三个类群，而橡胶树栽培种与由来自巴西西部马托格罗索州的野生类群相近。“栽培种的遗传多样性与野生种相比并未下降，这表明栽培种之间的杂交仍具有得到高产品种的可能，栽培种的遗传改良仍有潜力可挖。”田维敏说。
揭示橡天然胶产量遗传密码
树干树皮中的的次生乳管密切联系着天然橡胶生产，是橡胶树产量形成的结构基础。与野生种相比，栽培种的橡胶产量显著提高。这其中藏着什么样的遗传密码？
“自从2004年组建团队以来就一直做这个事。通过十多年的努力，我们认为，橡胶树的产量育种应聚焦产胶潜力。因此，乳管列数量和橡胶合成效率是决定橡胶树产胶潜力的两个关键因素。”田维敏说。
他打了个比方，“可以把乳管想象成生产橡胶的‘车间’，把橡胶合成效率想象成生产橡胶的‘机器’，如果一个橡胶树‘车间’又多，‘机器’效率又高，那产量绝对不会低。”
为了明确橡胶树早期驯化阶段是先选择了“车间”还是“机器”，团队成员整整花了三年时间对115份栽培种和93份野生种进行性状调查，共制备了数千份的石蜡切片和采集了数百份胶乳样品。
“这个过程确实非常辛苦，在热带橡胶林野外调查会遇到各种各样的意外情况，比如眼镜蛇，食鸟蛛，突如其来的暴雨等等，但团队成员都没退缩，终于高质量完成了调查工作，取得了第一手数据。”晁金泉说。
根据这些数据，田维敏团队发现栽培种的乳管数量远远高于野生种，而橡胶合成效率则无差异。“这表明人们驯化橡胶树时是先增加‘车间’数量，‘车间’多了产量自然就高，而对于‘车间’里‘机器’效率的驯化还没涉及，这很可能是下一个阶段橡胶树驯化的目标。”晁金泉说。
世界上有超过2000种植物可以合成天然橡胶，但目前橡胶树仍是世界所需天然橡胶的主要来源。“杜仲、橡胶草、银胶菊、莴苣等产胶植物可以在广大的温带地区生长，是未来天然橡胶来源的重要补充。”田维敏说，但这些产胶植物绝大多数都处于野生状态，尚未得到有效驯化。
“我们工作可以为这些产胶植物的快速驯化提供思路。”田维敏说，例如他们发现乳管这个生产橡胶的“车间”首先得到了驯化，而其他产胶植物也都具有乳管，人工驯化的时候就可以挑选那些具有多乳管的材料进行种植。
此外，橡胶草、莴苣等目前已经建立了成熟的遗传转化体系，也可以通过转化产量关键基因来快速提高产量。
“我们在2018年就与李家洋院士团队开展合作，把橡胶树中发现的基因在橡胶草中进行功能验证，不仅很好地完成了功能基因的验证工作，还发现一些新的生物学现象，这将继续推进双方的深入合作。”田维敏说。
原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_531292.html
来源：贤集网