一 杜仲基因组测序的重要意义

杜仲（Eucommia ulmoides Oliv.）属于真菊一类（Euasterids I）绞木目（Garryales）杜仲科（Eucommiaceae）杜仲属（Eucommia）植物，杜仲科单属单种（2n=34）。在晚第三纪以前，杜仲曾广泛分布于欧亚大陆，美洲的阿拉斯加也有杜仲分布。中新世时，在欧洲和亚洲西部，杜仲种类多、分布广，一直存活到上新世。日本北海道的杜仲在上新世时生长也很旺盛。在意大利，直到更新世还有杜仲生长。第四纪冰期来临后，杜仲便在欧洲和其他地区相继消失，只在亚洲的中国中部存活至今。我国现存杜仲为地质史上残留下来的孑遗植物，1996年国家已把杜仲当作珍稀树种列为国家二级重点保护野生植物。目前，我国是杜仲资源最丰富和栽培面积最大的国家，栽培面积约36万公顷，占世界杜仲资源的99%以上。

中国是世界橡胶消费大国，橡胶消费量连续12年居世界第一。我国每年进口天然橡胶约280万吨，对外依存度高达80%。世界上能合成顺式橡胶的植物约有2500多种，如三叶橡胶、银胶菊等；也有一些植物能合成反式橡胶，如杜仲、山榄、巴拉塔树、人心果、绒穗木、算盘子等。其中，唯独杜仲是能合成硬性橡胶的树种，其果、叶、皮均含有丰富的杜仲橡胶，在果实和皮中的含量分别达12%和17%。杜仲橡胶具有独特的橡胶和塑料双重特性，能够开发出独具橡胶弹性、热塑性和热弹性的新功能材料。由于杜仲橡胶特殊的物理性质，具有耐磨、抗撕裂、防湿滑、耐腐蚀、节能等优点，是开发高质量防爆轮胎的上佳材料。杜仲在我国27个省（自治区、直辖市）均有栽培（见图1），占世界杜仲种植总面积的99%以上，全国可种植杜仲的土地面积达1000万公顷以上，具有得天独厚的优势，发展潜力巨大。站在国家战略高度，发展杜仲产业是切实解决我国优质天然橡胶资源匮乏的唯一途径，也是加快我国橡胶工业健康发展的根本措施，战略意义十分重要。

图1 我国杜仲分布

Fig.1 Distribution of Eucommia in China

千百年来，杜仲皮作为中药在医疗保健等方面起着十分重要的作用。近20年来，随着杜仲叶、雄花、果实药用功能的不断被发现，杜仲的经济价值迅速提高。杜仲皮、叶、雄花、果实含有多种药用保健成分，如木脂素类、环烯醚萜类、苯丙素类以及黄酮、酚类等。从杜仲中分离出28种木脂素类，其中松脂素二糖苷为杜仲皮主要降压成分，丁香素二糖苷有抗癌活性。从皮、叶、雄花和果实中分离出京尼平苷、京尼平苷酸、桃叶珊瑚苷等17种环烯醚萜类物质，其中京尼平苷酸具有预防性功能低下、增强记忆、抗癌、抗氧化（抗衰老）及降压作用；京尼平苷具有抗肿瘤活性，并具有抗补体性；桃叶珊瑚苷在杜仲种子中含量可高达9%～23%，对革兰氏阴性菌和阳性菌均有抑制作用，具有较强的镇痛、抗菌消炎作用。苯丙素类物质广泛存在于杜仲叶、杜仲根皮、茎皮、果皮、雄花中，包括绿原酸、绿原酸甲酯、咖啡酸、丁香苷等11种，其中绿原酸抗菌作用较强，具有利胆、降压、抗菌、消炎、止血、抗氧化及升高白细胞的作用。杜仲所含黄酮类化合物主要包括槲皮素、山奈酚、儿茶素等。其中，槲皮素是国内外医学界普遍关注的一种天然植物生物活性成分，具有降血压、预防及治疗恶性肿瘤等多种作用。杜仲油中，高活性α-亚麻酸含量达55%～67.6%，居所有植物之首，为橄榄油、核桃油、茶油中 α-亚麻酸含量的8 ～60倍，具有健脑、降压作用。

杜仲在橡胶工业、军事国防、航空航天、医药、食品行业、饲料等行业中具有举足轻重的地位。目前杜仲的应用已经从单一的药用迅速扩展到关乎国民经济发展和国家安全的多个重要领域，甚至已经上升到国家战略的高度，并被当作国家战略储备资源。30多年来，国内外学者对杜仲育种、高效培育及综合利用进行了长期系统研究，选育出高产杜仲橡胶（药）等良种，在高效培育模式和技术创新方面取得了革命性突破，在产品研发和综合利用等方面取得了一系列具有良好产业化前景的研究成果，为我国杜仲产业的持续健康发展奠定了坚实基础。但杜仲分子遗传学研究和分子育种方面的理论基础研究相对薄弱，传统的林木遗传育种研究方法难以突破杜仲硬橡胶形成机制和高效合成机理、药用成分的高效合成机理、抗病虫害广泛适应的分子基础、分子机理，从而难以大幅度提高杜仲橡胶的产量和药用成分的含量，使得杜仲产业快速健康发展的关键技术瓶颈难以突破。目前，生命科学前沿已经逐步过渡到通过基因组学、功能基因组学、代谢组学、蛋白组学等组学水平的研究，提供大量选择育种和功能基因挖掘的机会，这是一个时代研究模式的转变和技术的又一次革命性突破。通过对杜仲全基因组序列信息的全面解读，将为杜仲橡胶高效合成、药用成分高效积累机理、提高杜仲抗逆性、破解杜仲性别决定模式、研究杜仲的起源和进化提供重要的理论依据，将对颠覆性突破高产杜仲橡胶和现代中药育种技术、科学指导新型杜仲橡胶资源培育都具有十分重要的里程碑意义。

2012年7月，中国林业科学研究院经济林研究开发中心在武汉未来组生物科技有限公司的技术支持下，由山东贝隆杜仲生物工程有限公司和中国林业科学研究院经济林研究开发中心提供资金支持，启动了杜仲全基因组测序和精细图绘制项目。杜仲的栽培历史悠久，杂合度高达1.1%，比杨树（Populus trichocarpa）（0.26%）高出4倍多；基因组大，达1.02G左右，是毛果杨（P. trichocarpa）基因组（480 Mb）的两倍多；重复序列比例高，达66%，为极其复杂的植物基因组。在测序和序列组装过程中遇到了前所未有的困难，中国林业科学研究院经济林研究开发中心的科研人员和武汉未来组生物科技有限公司的工作人员经过共同努力，克服了重重困难，在杜仲全基因组的测序和精细图绘制方面取得了突破性研究成果，杜仲成为目前为止我国第一个完成全基因组测序的木本药用植物。

本研究首次在木本植物全基因组测序中科学地结合第二代测序技术和第三代测序技术，攻克了杜仲基因组的高杂合度和高重复序列带来组装困难的瓶颈问题；获得了大量杜仲橡胶合成途径中的功能基因家族，将加快高产胶杜仲新品种培育，有效降低杜仲橡胶产业化成本，促进杜仲产业的健康快速发展；挖掘了大量杜仲药用成分相关的功能基因家族，为筛选和培育杜仲高药用成分新品种提供了坚实基础；发现了杜仲雌雄性别有关的基因和相关的分子标记，为杜仲性别早期鉴定提供了有效的方法；发现了杜仲抗逆性和环境适应性相关的功能基因，揭示了杜仲适应性强的分子机制；杜仲是古老的双子叶植物，其分类地位一直有争议，研究成果揭示了杜仲的系统发育地位。