作者:李晨 来源:中国科学报 发布时间:2023/8/6 17:44:30
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给300多橡胶树重测序后,他们终于发现产量密码

 

 

将近150年前,橡胶树被英国人魏克汉引种到英国的邱园,开启了人工驯化历程。

近日,中国热带农业科学院橡胶研究所教授田维敏团队联合中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员李家洋院士团队和梁承志团队在《自然—通讯》上发表研究论文,系统地阐明了橡胶树早期驯化的遗传基础,揭示了增加的乳管列数量是橡胶树早期驯化的主效性状,并首次鉴定到一个调控乳管数量的驯化基因。

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割胶。受访者供图


论文审稿人认为,该研究对300多份材料进行了重测序,并对关键驯化基因进行了关联研究,特别是对与橡胶产量密切相关的乳管列数进行深入分析,是非常精彩的、有意义的工作。该成果不仅有助于高产橡胶树品种的培育,对其他产胶植物的驯化也有重要的指导意义。 

花40年鉴定一颗种子是否良种

橡胶树是世界天然橡胶的主要来源。时至今日,天然橡胶作为一种工业原材料,对国家的工业化建设及国防安全至关重要。

我国专用国家植胶区主要分布于海南、广东、广西、福建、云南等地区,此外台湾也可种植,其中海南为主要植胶区。多年来我国天然橡胶自给率持续偏低,2022年仅为13%,已严重威胁产业的可持续发展和国家战略安全。

橡胶树是一种多年生热带乔木,生长期长,结实率低,传统育种周期长达40年。“也就是说,从我们刚参加工作就杂交授粉,等退休的时候还不一定能看到品种。”论文共同通讯作者田维敏说,橡胶树传统育种周期漫长主要是选择周期漫长。

橡胶树育种首先要通过3~4年的有性系比,筛选优良单株,再将优良单株芽接扩繁,通过初级系比和高级系比的无性系大田鉴定,最后是区域试种。

“我们要花40多年的时间来确定40多年前获得的那颗种子是否优良。如果我们能研发基于基因型的表型早期鉴定技术将大大的缩短选育种时间。”田维敏说。

虽然橡胶树仅经历了150年的驯化,但栽培种产量要远远高于野生种,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。“这里面必定隐含着橡胶树高产的驯化密码,我们的工作就是要将其解析出来。”论文第一作者、中国热带农业科学院橡胶研究所副研究员晁金泉说。

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  • 橡胶树林。受访者供图


然而,与其他作物不一样,橡胶树的产量形成机制非常复杂,有自己独特的特点。“其他作物的产量评价非常简单,就像一棵苹果树,我把上面的苹果全都摘下来就是它的产量。但橡胶树的产量是在割胶条件下形成的,直接受到胶工技能、割胶制度和市场价格等社会因素影响。从某种意义上说,我们可以人为控制橡胶树的产量。”田维敏略带自嘲地说。

但自嘲归自嘲,田维敏还是数十年如一日的坚持对形成橡胶树产量的关键因素进行剖析。 

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。 

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。

团队成员林间取样。受访者供图


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。

相关论文信息:https://doi.org/s41467-023-40304-y

 

 
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