天然橡膠是現代社會不可或缺的重要工業材料和戰略資源，以其卓越的彈性、耐沖擊性和生物兼容性廣泛應用于輪胎生產、醫療器械及國防科技等關鍵領域。全球天然橡膠需求持續攀升，天然橡膠生產過度依賴于熱帶橡膠樹（Hevea brasiliensis）這一單一物種，面臨著可種植區域受限、氣候變化、病蟲害威脅和供應鏈不穩定等多重風險。因此，拓展新的天然橡膠植物資源，對推動天然橡膠產業多元化發展、保障天然橡膠資源供給安全具有戰略意義。

2025年4月19日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所/崖州灣國家實驗室李家洋院士團隊與中國科學院遺傳與發育生物學研究所張有君研究員在植物科學領域知名期刊Trends in Plant Science發表題為Insights from natural rubber biosynthesis evolution for pathway engineering的綜述論文。該研究系統梳理了具有工業價值的產膠植物，深入剖析了天然橡膠合成關鍵組成部分和演化過程，闡述了天然橡膠產業面臨的挑戰以及通過途徑改造提高橡膠產量的策略，為通過合成生物學手段發展工程橡膠植物，提高橡膠產量和來源多樣性提供了新思路，對推動我國天然橡膠資源安全具有重要指導意義。

天然橡膠生物合成過程涉及復雜的代謝網絡。植物細胞內的甲羥戊酸（MVA）途徑和甲基赤蘚糖醇磷酸（MEP）途徑是合成天然橡膠兩種關鍵前體異戊烯基焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）的主要通路。這些前體在順式聚異戊二烯轉移酶（CPT）、橡膠延長因子（REF）和小橡膠顆粒蛋白（SRPP）等組成的橡膠合成蛋白復合體催化下，及一些尚未明確功能的橡膠粒子相關蛋白的輔助下，形成具有工業價值的高分子量聚異戊二烯，即天然橡膠（圖1A）。近年來，銀膠菊（Parthenium argentatum）、橡膠草（Taraxacum kok-saghyz）和野萵苣（Lactuca serriola）等產膠植物因具有廣泛的生態適應性和豐富的遺傳多樣性，成為重要的研究對象（圖1B）。高橡膠產量和高分子量產膠植物中，上述關鍵基因的表達明顯上調（圖1C），表明通過基因工程提高相關基因的表達水平，有望提升橡膠產量及品質。

基因組學技術的快速發展推動天然橡膠生物合成途徑研究取得重要突破。從進化角度分析，CPT基因家族、REF/SRPP基因家族在不同生物中表現出復雜的演化關系，基因復制、多系起源以及可能的水平基因轉移在橡膠合成進化中發揮了關鍵作用，揭示了不同植物適應環境壓力并優化橡膠合成途徑的多元進化策略。

目前，通過合成生物學手段精準改造橡膠合成途徑仍面臨諸多挑戰。近期興起的納米盤（Nanodisc）技術、洗脫橡膠粒子以及無細胞翻譯合成系統等創新技術手段，為天然橡膠合成研究提供了強有力的工具，預示著天然橡膠產業的重大變革即將來臨。未來，通過對橡膠生物合成途徑的深入研究以及基因工程技術的持續優化，有望將更多產膠植物推向工業化應用和商業化生產，進一步保障全球天然橡膠供應安全與可持續發展。

中國科學院遺傳與發育生物學研究所博士后操銀紅、陳慶文和副研究員徐霞為該論文的共同第一作者，張有君研究員、李家洋院士為共同通訊作者。德國馬普分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授做出了重要貢獻。該研究得到了北京市自然科學基金、博士后創新人才支持計劃、中國科學院特別研究助理項目、中國科學院超級計算中心“東方之星”青年科學家創新基金、國家重點研發計劃的資助。

圖1. 具有工業價值的產膠植物加速合成生物學和工程橡膠植物的發展。（A）影響天然橡膠生物合成的因素。（B）各種產膠植物。（C）高產膠和低產膠物種橡膠含量與分子量的關系。