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科研人員獲得首個染色體級別的橡膠樹參考基因組圖譜

來源:中國新聞網 作者:胡遠航 2019-12-16 15:05:27
科研人員獲得首個染色體級別的橡膠樹參考基因組圖譜
圖為云南植膠區山地膠園鳥瞰圖及完成了基因組測序的橡膠樹 GT1 品種。中科院昆明植物研究所供圖

記者16日從中國科學院昆明植物研究所獲悉,由該所及云南省熱帶作物科學研究所、華南農業大學基因組學與生物信息學研究中心組成的聯合研究團隊,歷經6年,利用單分子實時測序(SMRT)和Hi-C技術,在國際上首次獲得了達到染色體級別的高質量巴西橡膠樹優良品種GT1的參考基因組序列,并揭示大戟植物基因組的染色體進化、膠乳生物合成與橡膠樹的馴化。

圖為橡膠樹基因組圖譜及其特征。 中科院昆明植物研究所供圖 攝
圖為橡膠樹基因組圖譜及其特征。中科院昆明植物研究所供圖

  橡膠樹是大戟科植物,原產南美洲巴西的亞馬遜河流域,歷史記載其馴化始于1896年,然后向馬來西亞、印度尼西亞和泰國等國家傳播。在植物界大約2500種產膠植物中,橡膠樹產生的以聚異戊二烯為主要功能成分的天然膠乳,約占全球天然橡膠的98%以上。中國的橡膠種植面積達114萬公頃,居亞洲第三位(僅次于印度尼西亞和馬來西亞),但天然橡膠年產量不足年消費量的20%,遠低于國際公認的安全保障線(30%)。從二十一世紀初起,云南的橡膠樹種植總面積、總產量和單位面積產量均居中國首位。

圖為大戟科植物基因組的染色體進化。 中科院昆明植物研究所供圖 攝
圖為大戟科植物基因組的染色體進化。中科院昆明植物研究所供圖

  科研人員介紹,巴西橡膠樹的種質資源與基因組學研究是國際上競爭激烈的熱點領域。在2013-2016年期間,馬來西亞、泰國和中國的研究團隊利用二代或者二代與三代測序雜合組裝技術共發表了4張橡膠樹的基因組草圖。然而,大戟科植物基因組的染色體如何進化、為什么橡膠樹能高產膠乳以及橡膠樹在近一個世紀如何被馴化等問題,仍是產膠植物研究中長期懸而未決的重大科學問題;橡膠樹的高產、抗病、抗旱、抗寒等重要經濟性狀的基因組選擇育種與優異基因資源的發掘利用,也亟需獲得達到染色體級別的高質量橡膠樹參考基因組圖譜。

圖為橡膠樹基因組大小與反轉錄轉座子家族的進化。 中科院昆明植物研究所供圖 攝
圖為橡膠樹基因組大小與反轉錄轉座子家族的進化。中科院昆明植物研究所供圖

  熱帶作物種質資源與基因組學云南省創新團隊首席科學家、中科院昆明植物研究所研究員高立志帶領的云南省熱帶作物科學研究所、中國科學院昆明植物研究所和華南農業大學基因組學與生物信息學研究中心的聯合研究團隊,歷經6年,與華大基因、美國華盛頓大學、哈佛大學等單位合作,在完成了二代基因組測序與組裝的基礎上,進一步克服了橡膠樹基因組龐大、高雜合與高重復等困難,利用單分子實時測序(SMRT)和Hi-C技術,在國際上首次獲得了達到染色體級別的高質量巴西橡膠樹優良品種GT1的參考基因組序列。

圖為橡膠樹膠乳的生物合成與REF/SRPP 與 CPT 基因家族的擴增。 中科院昆明植物研究所供圖 攝
圖為橡膠樹膠乳的生物合成與REF/SRPP 與 CPT 基因家族的擴增。 中科院昆明植物研究所供圖

  與以前發表的基因組草圖比較,基因組學分析表明:該研究獲得的基因組圖譜在組裝準確性與完整性上都得到了極大的提升,將組裝獲得的約1.47Gb的基因組序列掛載到了18條假染色體上。同時,研究進一步證實,在木薯屬與橡膠屬分化之前二者共同的祖先發生過古多倍化事件;通過染色體水平上的比較基因組學分析首次構建了大戟植物的染色體演化模型;通過對該高質量的橡膠樹參考基因組序列的分析發現,在與木薯分化之后,橡膠樹基因組在最近的一千萬年以來有三個LTR逆轉錄轉座子家族發生了快速爆發,使得橡膠樹基因組增大了890Mbp(約60.44%);該研究鑒定得到與整個膠乳生物合成相關基因家族,并解析了膠乳生物合成途徑及重要基因的表達式樣,發現與基礎代謝過程、乙烯生物合成以及與乳膠停排相關的多糖和糖蛋白凝集素活動相關基因的顯著擴張。

圖為橡膠樹的基因組變異、群體分化與馴化。 中科院昆明植物研究所供圖 攝
圖為橡膠樹的基因組變異、群體分化與馴化。中科院昆明植物研究所供圖

  此外,該研究還構建了第一張代表性野生和栽培橡膠樹的基因組變異精準圖譜,獲得約1570萬個高質量的SNPs。盡管橡膠樹僅有一個多世紀的的馴化歷史,該研究鑒定到數百個與馴化相關的候選基因,它們在栽培橡膠樹中比起野生橡膠樹具有極低的基因組多樣性,其中有些基因與膠乳的生物合成密切相關。

  巴西橡膠樹這一重要參考基因組的獲得、膠乳生物合成代謝通路的解析、栽培和野生橡膠樹基因組變異精準圖譜的構建以及栽培橡膠樹馴化的認識,對中國未來橡膠優異種質資源的保護、發掘與育種利用具有重要意義。

  該成果以“The Chromosome-based Rubber Tree Genome Provides New Insights into Spurge Genome Evolution and Rubber Biosynthesis ” 為題發表在國際植物學頂尖刊物Molecular Plant。
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