天然橡胶是现代社会不可或缺的重要工业材料和战略资源，以其卓越的弹性、耐冲击性和生物兼容性广泛应用于轮胎生产、医疗器械及国防科技等关键领域。全球天然橡胶需求持续攀升，天然橡胶生产过度依赖于热带橡胶树（Hevea brasiliensis）这一单一物种，面临着可种植区域受限、气候变化、病虫害威胁和供应链不稳定等多重风险。因此，拓展新的天然橡胶植物资源，对推动天然橡胶产业多元化发展、保障天然橡胶资源供给安全具有战略意义。
2025年4月19日，中国科学院遗传与发育生物学研究所/崖州湾国家实验室李家洋院士团队与中国科学院遗传与发育生物学研究所张有君研究员在植物科学领域知名期刊Trends in Plant Science发表题为Insights from natural rubber biosynthesis evolution for pathway engineering的综述论文。该研究系统梳理了具有工业价值的产胶植物，深入剖析了天然橡胶合成关键组成部分和演化过程，阐述了天然橡胶产业面临的挑战以及通过途径改造提高橡胶产量的策略，为通过合成生物学手段发展工程橡胶植物，提高橡胶产量和来源多样性提供了新思路，对推动我国天然橡胶资源安全具有重要指导意义。
天然橡胶生物合成过程涉及复杂的代谢网络。植物细胞内的甲羟戊酸（MVA）途径和甲基赤藓糖醇磷酸（MEP）途径是合成天然橡胶两种关键前体异戊烯基焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）的主要通路。这些前体在顺式聚异戊二烯转移酶（CPT）、橡胶延长因子（REF）和小橡胶颗粒蛋白（SRPP）等组成的橡胶合成蛋白复合体催化下，及一些尚未明确功能的橡胶粒子相关蛋白的辅助下，形成具有工业价值的高分子量聚异戊二烯，即天然橡胶（图1A）。近年来，银胶菊（Parthenium argentatum）、橡胶草（Taraxacum kok-saghyz）和野莴苣（Lactuca serriola）等产胶植物因具有广泛的生态适应性和丰富的遗传多样性，成为重要的研究对象（图1B）。高橡胶产量和高分子量产胶植物中，上述关键基因的表达明显上调（图1C），表明通过基因工程提高相关基因的表达水平，有望提升橡胶产量及品质。
基因组学技术的快速发展推动天然橡胶生物合成途径研究取得重要突破。从进化角度分析，CPT基因家族、REF/SRPP基因家族在不同生物中表现出复杂的演化关系，基因复制、多系起源以及可能的水平基因转移在橡胶合成进化中发挥了关键作用，揭示了不同植物适应环境压力并优化橡胶合成途径的多元进化策略。
目前，通过合成生物学手段精准改造橡胶合成途径仍面临诸多挑战。近期兴起的纳米盘（Nanodisc）技术、洗脱橡胶粒子以及无细胞翻译合成系统等创新技术手段，为天然橡胶合成研究提供了强有力的工具，预示着天然橡胶产业的重大变革即将来临。未来，通过对橡胶生物合成途径的深入研究以及基因工程技术的持续优化，有望将更多产胶植物推向工业化应用和商业化生产，进一步保障全球天然橡胶供应安全与可持续发展。
中国科学院遗传与发育生物学研究所博士后操银红、陈庆文和副研究员徐霞为该论文的共同第一作者，张有君研究员、李家洋院士为共同通讯作者。德国马普分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授做出了重要贡献。该研究得到了北京市自然科学基金、博士后创新人才支持计划、中国科学院特别研究助理项目、中国科学院超级计算中心“东方之星”青年科学家创新基金、国家重点研发计划的资助。
