橡胶树150年驯化的分子机制解析

##天然橡胶是一种重要的工业原材料,主要来自于热带地区的橡胶树。橡胶树属于大戟科,原产亚马逊雨林地区。自 1876 年英国人魏克汉引种开始,开启了橡胶树人工驯化历程。橡胶树传统育种周期长达 40余年,目前生产上经过 2-3 代人工杂交的品种与未经选择的实生树相比产量有 4-5 倍的提高,但其内在的分子机制尚不清楚。为揭示橡胶树早期驯化的分子机制,我们构建了目前为止质量最高的橡胶树基因组(1.58Gb,contig N50 = 11.21Mb),以及 335 份代表性种质重测序的变异图谱。群体结构分析发现,橡胶树野生群体可以分为三个类群,目前的栽培种与由来自马托格罗索州的野生类群相近。与野生种相比,虽然栽培种内部的核苷酸多态性未明显降低,但LD距离显著延长,表明 150 年驯化已经在基因组上留下了选择痕迹。橡胶树树皮中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。为揭示调控乳管分化的关键基因,我们对 208 份橡胶树种质材料进行GWAS分析,在第 15 号染色体上鉴定到 1 个显著区段,该区段相关基因中仅Hb15g001250(HbPSK5)在形成层区域特异表达。HbPSK5 启动子区域存在一个与乳管数量密切关联的SNP(G/A),多乳管种质基因型GG比例要远远高于少乳管种质,群体分析进一步显示GG基因型在橡胶树育种过程中得到了选择,比例由野生种的 0.96%到初生代的 9.09%、次生代的 20.00%、三生代的 37.84%。HbPSK5 编码磺肽素,一种由 5 个氨基酸构成的小肽类激素。实验形态学证明人工合成的磺肽素可以有效诱导次生乳管形成。此外还揭示了 5 个HbMYC成员可转录激活该基因的启动子。在橡胶草中过表达HbPSK5 及其转录激活因子HbMYC26 均可以显著促进橡胶草根部乳管形成,进而提高天然橡胶含量。本研究系统分析了橡胶树 150 年驯化的分子机制,对其他产胶植物的快速驯化均具有重要的指导意义。