近日，中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所聯(lián)合海南大學(xué)、蘭州大學(xué)等團(tuán)隊(duì)在國際主流雜志《Nature Communications》上發(fā)表了題為“Pan-genome and phylogenomic analyses highlight Hevea species delineation and rubber trait evolution”的研究論文。研究闡釋了目前世界主要產(chǎn)膠國保存的三類橡膠樹種質(zhì)資源的遺傳結(jié)構(gòu)和親緣關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)橡膠延伸因子/小橡膠粒子蛋白（REF/SRPP）大基因簇的產(chǎn)生，及其在產(chǎn)膠細(xì)胞乳管中的特異性功能分化是植物形成產(chǎn)膠這種抗蟲性狀的一個關(guān)鍵性進(jìn)化事件。研究結(jié)果，為進(jìn)一步探究產(chǎn)膠性狀的進(jìn)化機(jī)制，加快橡膠樹資源的高效利用和品種遺傳改良提供了重要理論依據(jù)和資源支撐。
目前橡膠生產(chǎn)上的主要栽培品種均可追溯到來自橡膠樹屬（Hevea）巴西橡膠樹（H. brasiliensis）種內(nèi)的22株1876（年）魏克漢種質(zhì)，遺傳資源狹窄是橡膠樹雜交育種進(jìn)展緩慢的一個重要因素。同時，在橡膠樹屬的其他種，以及巴西橡膠樹種內(nèi)的野生種質(zhì)中報道存在豐富的產(chǎn)膠、抗病、速生和耐旱等重要農(nóng)藝性狀遺傳變異。但是，缺乏對不同類型橡膠樹種質(zhì)的親緣關(guān)系、遺傳多樣性和基因流動等方面的系統(tǒng)研究。
之前發(fā)表的橡膠樹基因組均局限在巴西橡膠樹一個種中，本研究對包含巴西橡膠樹品種、野生種質(zhì)和橡膠樹屬其他種的8個材料進(jìn)行了de novo測序，獲得了高質(zhì)量的基因組。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合94個橡膠樹屬種質(zhì)材料的重測序數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化基因組學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)這些種質(zhì)可明顯地分為5個譜系（lineage），其中4個為野生種質(zhì)、1個為栽培品種；在栽培品種譜系中，發(fā)現(xiàn)已有2個野生種質(zhì)譜系的基因滲入（genetic introgression）。此外，在所研究的7個其它橡膠樹屬種或變種材料中，發(fā)現(xiàn)只有一個可認(rèn)為是純種（H. sprueana），而其它材料或者存來自巴西橡膠樹栽培品種或野生種質(zhì)的遺傳混雜（genetic admixture），或者直接與巴西橡膠樹栽培品種或野生種質(zhì)譜系聚在一起。
橡膠樹8個種質(zhì)的基因組拼接與注釋（左圖）
橡膠樹種質(zhì)的群體遺傳和進(jìn)化分析（右圖）
通過對152個種子植物基因組的大尺度比較研究，結(jié)合大量的基因表達(dá)和橡膠產(chǎn)量數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)橡膠生物合成通路的關(guān)鍵基因家族REF/SRPP在橡膠樹屬的基因組中發(fā)生了顯著擴(kuò)增，產(chǎn)生了一個大的基因簇，并分化出表達(dá)顯著受割膠傷害誘導(dǎo)、在產(chǎn)膠細(xì)胞乳管中特異超高表達(dá)、表達(dá)與產(chǎn)膠能力顯著正相關(guān)的家族成員。同時，在其他產(chǎn)膠植物如俄羅斯蒲公英和萵苣的基因組共線區(qū)域中，也出現(xiàn)了類似的REF/SRPP大基因簇，也分化出在乳管中特異高表達(dá)的家族成員。這些結(jié)果表明，REF/SRPP大基因簇的產(chǎn)生，以及乳管特異性功能分化是植物產(chǎn)膠性狀進(jìn)化中的一個關(guān)鍵推動力。
橡膠樹泛基因組分析（左圖）
橡膠樹屬REF/SRPP大基因簇的產(chǎn)生及功能分化（右圖）
論文第一署名單位為熱帶作物生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所，方永軍副研究員和肖小虎副研究員為該論文共同第一作者，海南大學(xué)三亞南繁研究院唐朝榮研究員、蘭州大學(xué)生態(tài)學(xué)院劉建全教授為該論文共同通訊作者。廣西大學(xué)張積森教授、中國農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所林強(qiáng)副研究員等參與了該項(xiàng)研究。研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、海南省科技人才項(xiàng)目、海南省自然科學(xué)基金、基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51031-3
