揭示橡天然膠產(chǎn)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(nóng)業(yè)科學(xué)院等機構(gòu)的科學(xué)家在橡膠樹馴化的遺傳機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150年馴化
近日，來自中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院等機構(gòu)的科學(xué)家在橡膠樹馴化的遺傳機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150年馴化的遺傳基礎(chǔ)。該研究不僅有助于高產(chǎn)橡膠樹品種的培育，對其他產(chǎn)膠植物的馴化也有重要的指導(dǎo)意義。
這項研究由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所田維敏教授團隊，聯(lián)合崖州灣國家實驗室/中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士團隊、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)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(fā)表。
天然橡膠是一種工業(yè)原材料，對國家的工業(yè)化建設(shè)及國防安全至關(guān)重要。多年來，我國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，橡膠樹童期長、結(jié)實率低，傳統(tǒng)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(jīng)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(chǎn)量是未經(jīng)選擇實生樹的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)布了多個版本的橡膠樹基因組，但基因組組裝質(zhì)量不理想，碎片化嚴重，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(jié)構(gòu)分析后證實，上百年的馴化已經(jīng)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(shù)十個與產(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)勢單倍型。
樹干樹皮中的次生乳管密切聯(lián)系著天然橡膠生產(chǎn)，是橡膠樹產(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(diào)控乳管分化的關(guān)鍵基因，研究人員對208份橡膠樹種質(zhì)材料進行GWAS分析發(fā)現(xiàn)，HbPSK5基因在形成層區(qū)域特異表達。該基因的啟動子區(qū)域存在一個與乳管數(shù)量密切關(guān)聯(lián)的SNP（G/A），乳管多的種質(zhì)基因型GG比例要遠遠高于乳管少的種質(zhì)，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(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HbMYC成員可轉(zhuǎn)錄激活該基因的啟動子。在橡膠草生產(chǎn)過程中表達HbPSK5及其轉(zhuǎn)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(zhì)量最高的橡膠樹基因組
雖然已發(fā)布了多個版本的橡膠樹基因組，但基因組組裝質(zhì)量不理想，碎片化嚴重，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，橡膠樹基礎(chǔ)研究薄弱，必須通過與優(yōu)勢單位聯(lián)合，借鑒其他作物的研究手段來助力橡膠樹基礎(chǔ)研究?！本瓦@樣，田維敏團隊找到了國際著名生物信息學(xué)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(zhì)量橡膠樹基因組組裝工作的完成。
一個迄今質(zhì)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(gòu)建成功。正是通過這種跨學(xué)科跨單位的大團隊合作，他們?nèi)〉昧艘幌盗袆?chuàng)新性發(fā)現(xiàn)。
目前普遍認為橡膠樹的栽培種遺傳背景狹窄，經(jīng)過多個世代雜交導(dǎo)致遺傳多樣性降低，很難再產(chǎn)生高產(chǎn)品種。
然而，他們通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，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(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。
揭示橡天然膠產(chǎn)量遺傳密碼
樹干樹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(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產(chǎn)膠潛力的兩個關(guān)鍵因素?！碧锞S敏說。
他打了個比方，“可以把乳管想象成生產(chǎn)橡膠的‘車間’，把橡膠合成效率想象成生產(chǎn)橡膠的‘機器’，如果一個橡膠樹‘車間’又多，‘機器’效率又高，那產(chǎn)量絕對不會低。”
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(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。
“這個過程確實非常辛苦，在熱帶橡膠林野外調(diào)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(zhì)量完成了調(diào)查工作，取得了第一手數(shù)據(jù)?！标私鹑f。
根據(jù)這些數(shù)據(jù)，田維敏團隊發(fā)現(xiàn)栽培種的乳管數(shù)量遠遠高于野生種，而橡膠合成效率則無差異?！斑@表明人們馴化橡膠樹時是先增加‘車間’數(shù)量，‘車間’多了產(chǎn)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?！岸胖佟⑾鹉z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，是未來天然橡膠來源的重要補充?！碧锞S敏說，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?！碧锞S敏說，例如他們發(fā)現(xiàn)乳管這個生產(chǎn)橡膠的“車間”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(jīng)建立了成熟的遺傳轉(zhuǎn)化體系，也可以通過轉(zhuǎn)化產(chǎn)量關(guān)鍵基因來快速提高產(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)一些新的生物學(xué)現(xiàn)象，這將繼續(xù)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(wǎng)
這項研究由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所田維敏教授團隊，聯(lián)合崖州灣國家實驗室/中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士團隊、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)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(fā)表。
天然橡膠是一種工業(yè)原材料，對國家的工業(yè)化建設(shè)及國防安全至關(guān)重要。多年來，我國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，橡膠樹童期長、結(jié)實率低，傳統(tǒng)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(jīng)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(chǎn)量是未經(jīng)選擇實生樹的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)布了多個版本的橡膠樹基因組，但基因組組裝質(zhì)量不理想，碎片化嚴重，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(jié)構(gòu)分析后證實，上百年的馴化已經(jīng)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(shù)十個與產(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)勢單倍型。
樹干樹皮中的次生乳管密切聯(lián)系著天然橡膠生產(chǎn)，是橡膠樹產(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(diào)控乳管分化的關(guān)鍵基因，研究人員對208份橡膠樹種質(zhì)材料進行GWAS分析發(fā)現(xiàn)，HbPSK5基因在形成層區(qū)域特異表達。該基因的啟動子區(qū)域存在一個與乳管數(shù)量密切關(guān)聯(lián)的SNP（G/A），乳管多的種質(zhì)基因型GG比例要遠遠高于乳管少的種質(zhì)，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(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HbMYC成員可轉(zhuǎn)錄激活該基因的啟動子。在橡膠草生產(chǎn)過程中表達HbPSK5及其轉(zhuǎn)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(zhì)量最高的橡膠樹基因組
雖然已發(fā)布了多個版本的橡膠樹基因組，但基因組組裝質(zhì)量不理想，碎片化嚴重，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，橡膠樹基礎(chǔ)研究薄弱，必須通過與優(yōu)勢單位聯(lián)合，借鑒其他作物的研究手段來助力橡膠樹基礎(chǔ)研究?！本瓦@樣，田維敏團隊找到了國際著名生物信息學(xué)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(zhì)量橡膠樹基因組組裝工作的完成。
一個迄今質(zhì)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(gòu)建成功。正是通過這種跨學(xué)科跨單位的大團隊合作，他們?nèi)〉昧艘幌盗袆?chuàng)新性發(fā)現(xiàn)。
目前普遍認為橡膠樹的栽培種遺傳背景狹窄，經(jīng)過多個世代雜交導(dǎo)致遺傳多樣性降低，很難再產(chǎn)生高產(chǎn)品種。
然而，他們通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，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(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。
揭示橡天然膠產(chǎn)量遺傳密碼
樹干樹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(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產(chǎn)膠潛力的兩個關(guān)鍵因素?！碧锞S敏說。
他打了個比方，“可以把乳管想象成生產(chǎn)橡膠的‘車間’，把橡膠合成效率想象成生產(chǎn)橡膠的‘機器’，如果一個橡膠樹‘車間’又多，‘機器’效率又高，那產(chǎn)量絕對不會低。”
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(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。
“這個過程確實非常辛苦，在熱帶橡膠林野外調(diào)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(zhì)量完成了調(diào)查工作，取得了第一手數(shù)據(jù)?！标私鹑f。
根據(jù)這些數(shù)據(jù)，田維敏團隊發(fā)現(xiàn)栽培種的乳管數(shù)量遠遠高于野生種，而橡膠合成效率則無差異?！斑@表明人們馴化橡膠樹時是先增加‘車間’數(shù)量，‘車間’多了產(chǎn)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?！岸胖佟⑾鹉z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，是未來天然橡膠來源的重要補充?！碧锞S敏說，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?！碧锞S敏說，例如他們發(fā)現(xiàn)乳管這個生產(chǎn)橡膠的“車間”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(jīng)建立了成熟的遺傳轉(zhuǎn)化體系，也可以通過轉(zhuǎn)化產(chǎn)量關(guān)鍵基因來快速提高產(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)一些新的生物學(xué)現(xiàn)象，這將繼續(xù)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(wǎng)
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