橡胶树单倍型解析的端粒到端粒基因组与多组学分析揭示割胶响应的遗传机制

本研究通过构建橡胶树栽培品种CATAS 7-33-97的单倍型解析、无间隙T2T基因组，首次解析了含完整端粒和着丝粒区域的双单倍型结构，发现染色体8存在32.71 Mb大片段倒位等结构变异。整合转录组和代谢组数据证实，割胶通过JA信号通路激活甲羟戊酸(MVA)途径关键基因MVK1表达，促进橡胶生物合成。该研究为橡胶树基因组育种和产量提升提供了重要理论依据。

　　

橡胶树(Hevea brasiliensis)作为天然橡胶的主要来源，其产量提升长期受限于遗传多样性狭窄和基因组信息不完整。现代栽培品种多源自9棵祖先树的有限基因库，导致育种陷入瓶颈。更棘手的是，现有橡胶树基因组存在大量间隙，复杂区域如端粒、着丝粒尚未解析，严重阻碍了关键产量性状的遗传解析。

中国热带农业科学院的研究人员通过PacBio HiFi、ONT超长读长和Hi-C技术，首次构建了栽培品种CATAS 7-33-97的单倍型解析T2T无间隙基因组。该基因组包含36条完整染色体，双单倍型大小均为1.56 Gb，contig N50达93-94 Mb，BUSCO完整性超过98%。研究不仅填补了着丝粒(含多种串联重复单元)和端粒(CCCTAAA/TTTAGGG)序列空白，更发现同源染色体间存在28处倒位和32.71 Mb超大结构变异区(sv33M)。

关键技术包括：1) 193.19 Gb HiFi和199.24 Gb ONT超长读长测序；2) CENH3抗体ChIP-seq定位着丝粒；3) 连续割胶实验设计(T1-T10及5年树TN样本)；4) 整合代谢组(390种差异代谢物)与转录组(6,466 DEGs)分析；5) 双荧光素酶和Y1H验证MYC2-MVK1调控模块。

结果解析

单倍型解析的T2T橡胶树参考基因组
基因组比较显示栽培种比野生种多出3个REF和2个SRPP橡胶延伸基因，其中HbSRPP11为首次发现。着丝粒区域含有403 bp、146 bp等周期性串联重复，但未发现单一优势重复单元。

橡胶生产基因的比较基因组学
栽培种扩张的基因家族显著富集于伤口响应、萜烯合成等通路，而防御相关通路基因收缩。关键发现是橡胶延伸基因家族在栽培种中显著扩增，特别是chr3边缘的REF/SRPP基因簇(19个成员)，远多于野生种(14个)和非产胶植物(3-5个)。

橡胶树中一致的等位基因特异性表达
在10,136个显示等位基因特异性表达(ASE)的基因中，94.18%呈现单倍型偏好性稳定表达。值得注意的是，17个橡胶合成通路基因存在固定ASE模式，可能通过等位基因剂量效应影响产量。

甲羟戊酸作为橡胶生物合成的主要碳库
连续割胶实验显示，第7次割胶(T7)是产量跃升的关键节点，此时橡胶颗粒直径缩小29%，蔗糖含量下降58%，而MVA含量飙升14倍。代谢-转录联合分析证实MVA途径基因表达整体高于MEP途径，其中MVK1上调超10倍。

连续割胶通过JA信号通路增强橡胶生物合成
JA/Ile水平在T7时增加4倍，外源JA处理使橡胶合成活性(APC¹³C)提升12%。分子机制上，MYC2通过结合MVK1启动子G-box元件(-456 bp)激活其表达，而该调控元件在旁系同源基因MVK2中缺失。

结论与展望

该研究通过"基因组-代谢-激素"多维解析，提出连续割胶通过机械损伤激活JA信号，进而由MYC2上调MVK1驱动MVA通路爆发，最终提升橡胶产量的级联调控模型。单倍型基因组揭示的等位基因表达失衡和结构变异，为分子标记开发提供了新靶点。特别值得注意的是，32.71 Mb超大倒位sv33M在野生和栽培种中均存在深度覆盖验证，暗示其在橡胶树进化中的特殊作用。

这项发表于《Nature Communications》的研究不仅填补了植物着丝粒序列多样性的认知空白，更建立了首个橡胶树割胶响应的分子调控网络。栽培种特异的基因家族扩张和JA-MYC2-MVK1模块的发现，为通过基因编辑和标记辅助选择打破产量瓶颈提供了理论支撑。未来研究可进一步探索sv33M区域的生物学功能，以及优势等位基因在基因组选择中的应用价值。