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          科研人员获得首个染色体级别的橡胶树参考基因组图谱

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            中新网昆明12月16日电 (记者 胡远航)记者16日从中国科学院昆明植物研究所获悉,由该所及云南省热带作物科学研究所、华南农业大学基因组学与生物信息学研究中心组成的联合研究团队,历经6年,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,并揭示大戟植物基因组的染色体进化、胶乳生物合成与橡胶树的驯化。

          图为橡胶树基因组图谱及其特征。 中科院昆明植物研究所供图 摄
          图为橡胶树基因组图谱及其特征。 中科院昆明植物研究所供图 

            橡胶树是大戟科植物,原产南美洲巴西的亚马逊河流域,历史记载其驯化始于1896年,然后向马来西亚、印度尼西亚和泰国等国家传播。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。中国的橡胶种植面积达114万公顷,居亚洲第三位(仅次于印度尼西亚和马来西亚),但天然橡胶年产量不足年消费量的20%,远低于国际公认的安全保障线(30%)。从二十一世纪初起,云南的橡胶树种植总面积、总产量和单位面积产量均居中国首位。

          图为大戟科植物基因组的染色体进化。 中科院昆明植物研究所供图 摄
          图为大戟科植物基因组的染色体进化。 中科院昆明植物研究所供图 

            科研人员介绍,巴西橡胶树的种质资源与基因组学研究是国际上竞争激烈的热点领域。在2013-2016年期间,马来西亚、泰国和中国的研究团队利用二代或者二代与三代测序杂合组装技术共发表了4张橡胶树的基因组草图。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问题,仍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,也亟需获得达到染色体级别的高质量橡胶树参考基因组图谱。

          图为橡胶树基因组大小与反转录转座子家族的进化。 中科院昆明植物研究所供图 摄
          图为橡胶树基因组大小与反转录转座子家族的进化。 中科院昆明植物研究所供图 

            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研究员高立志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。

          图为橡胶树胶乳的生物合成与REF/SRPP 与 CPT 基因家族的扩增。 中科院昆明植物研究所供图 摄
          图为橡胶树胶乳的生物合成与REF/SRPP 与 CPT 基因家族的扩增。 中科院昆明植物研究所供图 

            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的提升,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。同时,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(约60.44%);该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。

          图为橡胶树的基因组变异、群体分化与驯化。 中科院昆明植物研究所供图 摄
          图为橡胶树的基因组变异、群体分化与驯化。 中科院昆明植物研究所供图 

            此外,该研究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。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。

            巴西橡胶树这一重要参考基因组的获得、胶乳生物合成代谢通路的解析、栽培和野生橡胶树基因组变异精准图谱的构建以及栽培橡胶树驯化的认识,对中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意义。

            该成果以“The Chromosome-based Rubber Tree Genome Provides New Insights into Spurge Genome Evolution and Rubber Biosynthesis ” 为题发表在国际植物学顶尖刊物Molecular Plant。(完)

          【编辑:苑菁菁】
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