【未来组项目文章】绘制杜仲基因组精细图，探究杜仲的异戊二烯生物合成及环境适应机制

关于杜仲(Eucommia ulmoides)

杜仲是我国特有的、除三叶橡胶外世界上具有巨大开发前景的优质天然橡胶树种和名贵药用树种，国家二级保护野生植物。杜仲能耐严寒，成株在-30℃的条件下可正常生存，张家界、神龙架都有分布。获得高质量的参考基因组，解析杜仲环境适应及杜仲胶生物合成机制，对研究杜仲的起源和进化，遗传改良具有里程碑意义。

2017年11月，中国林业科学研究院经济林研究开发中心乌云塔娜团队、杜红岩团队，联合中国热带农业科学院橡胶研究所李德军团队及山东贝隆杜仲生物工程有限公司高瑞文团队合作完成耐寒橡胶树-杜仲基因测序和转录组研究，相关成果在线发布于《Molecular Plant》。

未来组在本项目中负责完成基因组测序、Bionano辅助拼接，基因组组装、基因注释和转录组测序分析等部分的工作。

材料与方法

基因组

神农架野生杜仲叶

二三代混合测序并BioNano辅助组装，转录组辅助基因组注释

转录组

同一棵杜仲不同生长发育时期的叶和果实进行RNA-Seq

结论

基因组组装和注释

预估基因组大小1.1Gb，组装基因组大小1.18Gb，重复序列~61%，杂合度0.8%，

Scaffold N50：1.88 Mb，注释了26,723个蛋白编码基因。

通过转录组数据、ESTs数据比对，以及CEGMA和BUSCO分析评估组装基因组的完整度和准确度，结果表明基因组组装效果good。

基因组起源和进化分析

通过分析单拷贝基因，构建杜仲与14种植物的系统发生关系（Fig.1），研究表明杜仲与真菊I类和II类的分化时间可追溯到约在一亿两千九百万年前。

Fig.1杜仲遗传起源

通过同义替代突变分析（Fig.2左），以及与3个已知物种（葡萄发生过1次基因组倍增，番茄发生过2次倍增，猕猴桃发生过3次倍增）进行共线性关系比较（Fig.2右）得知，杜仲仅经历了一次古老的基因组三倍化事件，无近期基因组复制发生。

Fig.2杜仲基因组倍增事件分析

影响环境适应性的基因

杜仲是从历经了白垩纪存活下来的活化石，有着极高的抗逆性，文章对杜仲的环境适应性相关基因进行了分析，筛选了与环境耐受性和次生代谢相关的扩张基因。

杜仲的生物胶合成

通过RNA-seq分析同一棵杜仲不同生长发育时期的叶和果实中杜仲胶合成相关基因的表达水平，并结合这些样本中生物胶的含量检测，得出结论：杜仲中生物胶的前体物质异戊二烯焦磷酸（IPP）可能主要来自甲瓦龙酸途径（MVA途径）（Fig.3）。

Fig.3与杜仲胶相关的基因、代谢通路和表达谱分析

杜仲胶由反式聚异戊二烯(TPI)形成，橡胶树橡胶由顺式聚异戊二烯(CPI)形成。小橡胶颗粒蛋白(SRPP)和橡胶延长因子(REF)被推测与生物胶合成相关，在杜仲和橡胶树中，REF/SRPP基因家族都存在显著扩张，而与橡胶树SRPP和REF基因同时参与CPI合成不同，在杜仲中只有SRPP基因参与TPI合成，REF基因皆为低表达甚至无表达（Fig.3）。

法尼基焦磷酸合酶(FPS)是生物胶合成途径中的一种关键酶，杜仲FPS基因家族存在扩张并出现功能分化，产生了具有反式长链橡胶合成功能的II类FPS基因(Fig.4 a)。进化分析显示，杜仲和橡胶树的REF/SRPP基因家族成员属不同分支(Fig.4 b)。

Fig.4 FPS/REF/SRPP基因家族系统发育分析

研究人员综合分析结果，绘制了橡胶树橡胶(顺式聚异戊二烯，CPI)和杜仲胶(反式聚异戊二烯，TPI)合成途径及关键酶(Fig.5)，推测双子叶植物中橡胶生物合成为多起源。

Fig.5杜仲和橡胶树的产胶生物途径比较

中国林业科学研究院经济林研究开发中心等研究团队首次获得了杜仲高质量基因组序列并解析了杜仲环境适应及胶生物合成机制，对杜仲生物学研究、良种培育、种植及产业链形成具有重要意义。

PacBio长读长测序和BioNano光学图谱技术的引入，对杜仲基因组的组装连续性有了很大的帮助。未来组拥有Sequel、Nanopore、BioNano及Hi-C等平台，同时搭载天河二号和阿里云服务器，在承诺高标准交付指标的同时，将进一步大幅压缩项目服务周期，为合作伙伴提供专业优质的服务。

参考文献

Wuyun T,Wang L,Liu H,et al.The hardy rubber tree genome provides insights into the evolution of polyisoprene biosynthesis[J].Molecular Plant,2017.