茶樹是山茶科(Theaceae)山茶屬(Camellia)茶組植物，富含茶氨酸、兒茶素、咖啡堿等特征性次生代謝物，是我國重要的經(jīng)濟作物。茶樹生物學(xué)的研究內(nèi)涵主要是以茶樹為研究對象，綜合運用植物遺傳學(xué)、生理學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)和組學(xué)等學(xué)科的理論與技術(shù)，通過挖掘關(guān)鍵基因，解析生化功能，揭示分子機理，構(gòu)建調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為認識茶樹生命規(guī)律及發(fā)展未來茶葉科技提供科學(xué)指導(dǎo)。近5年來，以產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求為導(dǎo)向，我國茶葉工作者凝心聚力，在茶樹基礎(chǔ)生物學(xué)研究上取得了可喜的成績，特別是在茶樹基因組解析、重要功能基因分離克隆、次生代謝產(chǎn)物合成/調(diào)控及其生理功能、抗逆新機制解析等領(lǐng)域取得了重要進展。
一、“十三五”期間主要研究進展
1. 解析茶樹及其野生近緣種基因組(1)解析了茶樹阿薩姆變種的基因組茶樹阿薩姆變種是我國西南地區(qū)及周邊國家的主要栽培型茶樹，屬喬木型，葉大，適制紅茶和普洱茶。2017年6月，高立志團隊以云抗10號茶樹品種為材料，解析了栽培茶樹阿薩姆變種的參考基因組，開啟了茶樹基因組學(xué)研究的序幕。茶樹基因組近期曾經(jīng)發(fā)生過一次全基因組重復(fù)事件，并且通過顯著性地擴增與黃酮、萜類物質(zhì)生物合成及抗病基因來影響其兒茶素含量分布、茶葉風(fēng)味和茶樹的全球生態(tài)適應(yīng)性。研究還對25種山茶屬代表性植物的兒茶素類化合物、茶氨酸和咖啡堿含量進行測定發(fā)現(xiàn)，茶組植物和非茶組植物在兒茶素類化合物和咖啡堿含量上差異明顯;進一步基因表達和進化分析表明，兒茶素類化合物代謝通路和咖啡堿代謝通路基因的表達模式和序列變異可能是造成該現(xiàn)象的主要原因，與茶葉的品質(zhì)和適制性密切相關(guān)。
茶樹基因組和基因家族的進化
(2)解析了茶樹原變種的基因組茶樹原變種是目前栽培最為廣泛的茶樹類型，具有葉小、分布廣、適制性高等特點。2018年3月，宛曉春團隊以舒茶早為材料破譯了茶樹原變種的基因組。發(fā)現(xiàn)栽培茶樹與獼猴桃的物種分化時間大約發(fā)生在8 000萬年前，茶樹原變種與阿薩姆變種的物種分化時間發(fā)生在38萬～154萬年前。與阿薩姆變種類似，茶樹原變種基因組近期曾發(fā)生過一次全基因組重復(fù)事件，且該事件及后續(xù)串聯(lián)復(fù)制導(dǎo)致了大多數(shù)次生代謝相關(guān)基因拷貝數(shù)顯著擴增。首次發(fā)現(xiàn)并證實了一個參與茶氨酸合成的關(guān)鍵酶基因(CsTSI) 具有體外合成茶氨酸的酶活性。陳亮團隊和宛曉春團隊分別對茶樹舒茶早基因組組裝的連續(xù)性和基因注釋的完整性進行了提升，獲得了茶樹全基因組重復(fù)事件對茶葉品質(zhì)和抗性形成深入的認識。
2020年4月，宛曉春團隊進一步以舒茶早為材料，獲得染色體級別的茶樹原變種參考基因組序列。發(fā)現(xiàn)茶樹基因組高含量的重復(fù)序列不僅是其基因組龐大的主要原因，而且還可通過內(nèi)含子插入使得基因平均長度增加和部分重復(fù)基因的功能發(fā)生分化。發(fā)現(xiàn)所選取樣品被清晰地分為阿薩姆類型、中國種類型和野生類型;來自國內(nèi)不同地區(qū)的茶樹遺傳多樣性研究結(jié)果支持了我國茶樹的西南起源假說，同時鑒定得到一些與茶葉品質(zhì)和茶樹抗逆性密切相關(guān)的候選馴化基因。
2020年4月，以碧云為材料，高立志團隊獲得了茶樹原變種碧云染色體級別的參考基因組。發(fā)現(xiàn)茶樹原變種和阿薩姆種基因組中LTR逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子經(jīng)歷了較為相似的進化歷史。
2020年9月，楊亞軍團隊以龍井43為材料，獲得了茶樹原變種龍井43約3.26 Gb的參考基因組，注釋得到33 556個高質(zhì)量的蛋白編碼基因。發(fā)現(xiàn)大量與茶樹抗病、風(fēng)味代謝和自交不親和相關(guān)的基因家族在龍井43基因組中發(fā)生了顯著擴張，且與抗逆等相關(guān)基因受到強烈的正選擇。系統(tǒng)構(gòu)建了栽培茶樹的群體結(jié)構(gòu)及其進化歷史。發(fā)現(xiàn)茶樹栽培區(qū)域的擴張和引種馴化顯著增加了茶樹種群間的雜合性和基因流;揭示了茶樹原變種和阿薩姆變種在馴化過程中的選擇方向存在差異;相比阿薩姆變種，茶樹原變種中與風(fēng)味相關(guān)的萜烯類代謝基因和抗病基因在馴化過程中更傾向于受到強烈的選擇。
‘龍井43’基因組特征和質(zhì)量評估結(jié)果
2021年5月，以烏龍茶適制品種黃棪為材料，葉乃興團隊獲得茶樹原變種黃棪二倍體染色體級別基因組與單體型染色體級別基因組。發(fā)現(xiàn)黃棪與舒茶早和龍井43品種之間存在廣泛的結(jié)構(gòu)變異，包含大量諸如萜烯類合成酶等與香氣途徑相關(guān)的基因，可能與黃棪的高香品種特性有關(guān)。此外，劉仁義、楊貞標團隊聯(lián)合陳亮團隊還利用136個代表性茶樹資源的轉(zhuǎn)錄組和代謝組學(xué)數(shù)據(jù)，深入研究了茶樹種群與特殊代謝物之間的關(guān)系，為闡明茶樹中特殊代謝物的多樣性形成機理奠定了基礎(chǔ)。
(3)解析了栽培茶樹野生近緣種的基因組2020年7月，以采自云南保山深山中的一株野生茶樹為材料，聞瑋瑋團隊完成了首個高質(zhì)量染色體級別的茶樹野生近緣種DASZ基因組。發(fā)現(xiàn)相比舒茶早基因組，DASZ基因組注釋出更多的R基因，可能與其抗逆性密切相關(guān)。揭示了中國茶樹育種中存在諸如福鼎大白茶和鐵觀音等數(shù)個骨干親本;茶樹種質(zhì)資源間基因交流頻繁，遺傳多樣性豐富。鑒定出176個與茶樹兒茶素類化合物生物合成顯著關(guān)聯(lián)的遺傳變異位點和關(guān)鍵基因。選擇性清除分析發(fā)現(xiàn)，古茶樹和栽培種在遺傳和代謝水平上并未顯著分化，暗示著茶樹在風(fēng)味品質(zhì)上可能未受到長期定向的人工選擇。
(4)構(gòu)建了茶樹基因組及生物信息學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)庫以茶樹基因組圖譜為框架，“十三五 ” 期 間 先 后 構(gòu) 建 了TPIA(Tea plant information archive)、TeaPGDB(Tea plant genome database)茶樹基因組數(shù)據(jù)庫。以茶葉代謝和健康功效數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別構(gòu)建了TMDB(Tea metabolome database)、TBC2health、TBC2target數(shù)據(jù)庫。茶樹可變剪切數(shù)據(jù)庫TeaAS(Tea alternative splicing database)近期也上線運行。
茶樹基因組學(xué)與生物信息學(xué)平臺TPIA
2. 克隆了一批與茶葉品質(zhì)和茶樹抗性相關(guān)的功能基因(1)克隆了茶氨酸合成的關(guān)鍵基因CsTSI證明了CsTSI具有體外合成茶氨酸的酶活性。CsTSI基因的克隆不僅為培育高茶氨酸茶樹品種提供了一個重要新基因，也為揭示茶樹茶氨酸調(diào)控的分子機制提供了新線索。
(2)克隆了苦茶堿合成關(guān)鍵基因CkTcS驗證了R226、I241和C27是影響CkTcS N9-甲基轉(zhuǎn)移活性的關(guān)鍵氨基酸殘基。CkTcS基因的克隆為今后培育富含苦茶堿茶樹新品種或通過微生物發(fā)酵合成苦茶堿奠定重要理論基礎(chǔ)。
(3)克隆了芳樟醇/橙花叔醇合成關(guān)鍵基因CsLIS/NES該基因?qū)俨铇漭葡╊惡铣擅富?，在茶樹葉片和花中，可通過可變剪切形成全長(CsLIS/NES-1)和斷頭(CsLIS/NES-2)兩個轉(zhuǎn)錄本，其蛋白產(chǎn)物分別定位于葉綠體和細胞質(zhì)，前者催化芳樟醇的生物合成，而后者催化橙花叔醇的生物合成。CsLIS/NES基因的克隆對增進茶葉香氣品質(zhì)的定向育種、栽培和加工技術(shù)具有重要的指導(dǎo)意義。
(4) 克隆了參與茶樹單寧化合物水解的關(guān)鍵基因CsTA發(fā)現(xiàn)不同于微生物的單寧酶基因，植物的單寧酶基因具有獨立的進化起源。茶樹單寧酶CsTA基因的發(fā)現(xiàn)和克隆為茶樹等富含單寧化合物的園藝作物品質(zhì)調(diào)控和優(yōu)良品種選育提供了理論依據(jù)。
此外，如CsGS2、AlaDC、CBF、CsWRKY2等與茶葉品質(zhì)和抗性相關(guān)的基因也相繼克隆。這些基因的克隆對深入認識茶樹重要農(nóng)藝性狀形成的遺傳基礎(chǔ)具有重要意義，同時也為通過遺傳改良培育優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、多抗的茶樹新品種提供了重要靶點。
3. 初步揭示茶樹次生代謝的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)(1)茶樹黃酮類化合物的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)解析克隆參與紫娟茶樹品種花青素調(diào)控的關(guān)鍵基因CsMYB75和CsGSTF1。煙草過表達CsMYB75基因能夠激活CsGSTF1基因的表達，證實CsGSTF1可參與茶樹花青素苷的液泡轉(zhuǎn)運。從龍井43中分離克隆CsMYB4a基因，發(fā)現(xiàn)CsMYB4a可以結(jié)合CsC4H、 Cs4CL、CsCHS、CsLAR和CsANR2基因的啟動子，調(diào)控茶樹花青素的積累。研究還發(fā)現(xiàn)茶樹花青素的生物合成亦受到DNA甲基化的調(diào)控，紫娟茶樹品種的CsAN1基因啟動子的甲基化程度與其花青素含量存在一定聯(lián)系，CsAN1基因啟動子低甲基化水平會導(dǎo)致紫娟芽葉中花青素的大量積累。遮陰條件下，茶樹鮮葉中黃酮醇、兒茶素類物質(zhì)含量降低，黃酮類代謝途徑基因(CsCHS、CsF3'5'H、CsDFR、CsFLS及CsUGT等) 轉(zhuǎn)錄水平顯著下降，且與UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑基因表達高度相關(guān)。
(2)茶樹茶氨酸的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)解析從舒茶早中克隆根部特異表達的茶氨酸合成酶關(guān)鍵基因CsTSI，相比茶樹根部組織，茶樹的葉片組織尤其是嫩梢中也發(fā)現(xiàn)較高含量的茶氨酸，其含量積累可通過原位合成和根部運輸實現(xiàn)。茶樹細胞質(zhì)和葉綠體是茶樹嫩梢組織茶氨酸生物合成及分布的主要場所，證實CsGS1.1和CsGS2是茶樹葉片組織茶氨酸生物合成的關(guān)鍵酶基因，且其含量和分布受到光照的調(diào)控。分離并克隆參與茶樹茶氨酸轉(zhuǎn)運的關(guān)鍵基因CsAAP1(Amino acid permease)，該基因在茶樹根中的表達模式與茶氨酸的運輸季節(jié)及從根到新梢的運輸效率高度相關(guān)，表明CsAAP1在茶樹茶氨酸長距離運輸過程中起到重要作用。丙氨酸脫羧酶基因AlaDC(Alanine decarboxylase)在茶樹根中的表達水平顯著高于葉片組織，可以催化丙氨酸脫羧生成乙胺，參與茶氨酸降解的關(guān)鍵基因CsPDX2.1(Pyridoxine biosynthesis 2)在白化茶樹品種中的表達水平顯著低于綠色茶樹品種，可催化茶氨酸水解為乙胺和谷氨酸，表明CsPDX2.1基因具有體外水解茶氨酸的功能。
與茶氨酸合成和轉(zhuǎn)運基因分離克隆相比，茶樹茶氨酸生物合成的分子調(diào)控機理研究起步較晚。構(gòu)建了茶樹茶氨酸代謝通路基因與轉(zhuǎn)錄因子的共表達網(wǎng)絡(luò)，鑒定得到14個可能參與茶樹茶氨酸生物合成調(diào)控的候選MYB轉(zhuǎn)錄因子，為今后茶氨酸調(diào)控網(wǎng)絡(luò)解析奠定了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。負調(diào)控茶氨酸生物合成的關(guān)鍵基因CsMYB73屬 R2R3 類型 MYB 轉(zhuǎn)錄因子，為核定位蛋白，其在茶樹葉片發(fā)育過程中的表達模式與茶氨酸的積累模式呈負相關(guān)關(guān)系。參與茶樹茶氨酸生物合成的正調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子CsMYB6可通過結(jié)合茶氨酸合成酶關(guān)鍵基因CsTSI的啟動子，激活CsTSI的表達，正調(diào)控茶樹茶氨酸的生物合成。
(3)茶樹咖啡堿的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)解析茶樹咖啡堿合成酶基因TCS編碼369個氨基酸，既可催化7-甲基黃嘌呤轉(zhuǎn)化為可可堿，也可催化可可堿轉(zhuǎn)化形成咖啡堿。TCS1基因在茶組植物中具有多個等位變異，其中TCS1的第269位氨基酸殘基對 TCS 的活性和底物識別中起著重要的作用。對來自中國14個省共計44個茶樹品種的TCS1基因進一步比較分析發(fā)現(xiàn)，茶樹TCS1基因的外顯子區(qū)包含31個單核苷酸多態(tài)性位點(SNP)，其中SNP4318的定點突變(His153Tyr)可顯著提高茶樹可可堿合成酶和咖啡堿合成酶的活性，驗證了SNP4318變異與咖啡堿含量的關(guān)系。
紅芽茶和可可茶是2種以含可可堿而非咖啡堿為主的茶樹物種。HYC和CCT分別是紅芽茶和可可茶的咖啡堿合成酶基因。研究發(fā)現(xiàn)，HYC和 CCT均編碼365個氨基酸，二者僅在第227位(Glu227Lys)和287位(Arg287His) 存在2個氨基酸的差異。重組蛋白酶活實驗表明，HYC和CCT均只能催化可可堿的形成而不能以可可堿為底物繼續(xù)合成咖啡堿。
4. 解析茶樹次生代謝的生理功能(1)發(fā)現(xiàn)香氣糖苷物質(zhì)應(yīng)答茶樹低溫和病蟲害的新功能茶樹香氣糖苷在茶葉香氣品質(zhì)形成及茶樹逆境脅迫應(yīng)答中具有雙重作用。鄰近茶樹接觸到受害茶樹釋放的揮發(fā)物質(zhì)后，會提前啟動自身的防御系統(tǒng)。進一步通過對受害茶樹釋放的揮發(fā)物質(zhì)定量分析，結(jié)合外源揮發(fā)物質(zhì)暴露實驗，發(fā)現(xiàn)順-3-己烯醇等香氣物質(zhì)在茶樹個體間信號傳導(dǎo)中發(fā)揮著重要作用。在茶樹中篩選到可高效轉(zhuǎn)化順-3-己烯醇的關(guān)鍵酶基因UGT85A53，該基因可催化順-3-己烯醇發(fā)生糖苷化，參與茶樹的蟲害防御反應(yīng)。
茶樹香氣糖苷物質(zhì)還可參與茶樹低溫脅迫的防御反應(yīng)。在茶樹中分離克隆了可特異性催化橙花叔醇糖苷化的基因CsUGT91Q2。茶樹體內(nèi)抑制該基因的表達可顯著降低茶樹橙花叔醇糖苷的積累及抗寒能力。外源施加橙花叔醇，可促進CsUGT91Q2的表達及茶樹橙花叔醇糖苷的積累，并提高茶樹的抗寒能力，表明橙花叔醇糖苷化在茶樹低溫脅迫應(yīng)答中具有重要作用。
(2)揭示芳香族揮發(fā)物吲哚防御茶樹病蟲害的生理功能茶樹在遭受茶尺蠖幼蟲取食后會大量釋放吲哚。用生理濃度的吲哚處理茶苗后可以顯著誘導(dǎo)茶樹中鈣離子信號、絲裂原活化蛋白激酶、茉莉酸合成等早期信號通路，通過提高茉莉酸、茉莉酸異亮氨酸以及防御相關(guān)次生代謝物的含量，增強茶樹對茶尺蠖的抗性。進一步利用信號通路抑制劑結(jié)合生物學(xué)測定和代謝物分析，證實了鈣離子和茉莉酸途徑是吲哚引發(fā)茶樹防御警備、提高茶樹抗蟲性的必需條件。
二、目前存在的問題及“十四五”發(fā)展方向
1. 加強茶樹及其野生近緣植物種質(zhì)資源的收集與保存目前全國大部分茶樹種質(zhì)資源圃還傾向于收集和保存大量茶樹育成品種或品系，同質(zhì)化明顯且遺傳多樣性相對較低，鮮有茶樹地方品種或野生近緣種的收集與保存。然而，近年來野生茶樹的茶葉制品被過度炒作，茶葉市場“野生茶”“古樹茶”需求劇增，導(dǎo)致部分茶樹野生近緣種群被過度采集，生境遭遇破壞。此外，茶樹良種的大面積推廣，也一定程度上壓縮了一些遺傳變異相對豐富的地方良種的生存空間，造成部分地方良種亦處于消失的邊緣。因此，今后在茶樹種質(zhì)資源的收集工作中，建議重視加大對茶樹地方品種和野生近緣種的收集與保存工作，特別是對一些生境已處于瀕臨破壞的資源重點進行搶救性收集和繁育，為今后茶樹遺傳育種奠定材料基礎(chǔ)。
2. 解析茶樹重要農(nóng)藝性狀形成的遺傳基礎(chǔ)以茶樹種質(zhì)資源收集為依托，進一步突破茶樹育種理論是實現(xiàn)茶樹高效育種的關(guān)鍵，其核心是加快重要農(nóng)藝性狀相關(guān)功能基因的發(fā)掘，解析茶樹重要農(nóng)藝性狀形成的遺傳基礎(chǔ)。基于基因型和表型數(shù)據(jù)進行大規(guī)模全基因組關(guān)聯(lián)分析是目前解決該問題的有效途徑，然而不管是從資源的收集到核心種質(zhì)的構(gòu)建，還是從基因型和表型數(shù)據(jù)的獲取到生物信息數(shù)據(jù)的分析，還是從功能基因的驗證到品種的育成和推廣，均需凝聚各單位和各學(xué)科領(lǐng)域科研人員的力量。只有充分發(fā)揮領(lǐng)域和學(xué)科優(yōu)勢，才能力求在“十四五”闡明茶樹重要農(nóng)藝性狀形成的遺傳基礎(chǔ)，明確茶樹主要性狀的遺傳規(guī)律和相關(guān)基因的調(diào)控機制，這將有助于實現(xiàn)茶樹育種理論的重大突破，為定向培育優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、多抗的茶樹多元化新品種夯實理論基礎(chǔ)。
3. 進一步加強茶樹次生代謝合成、調(diào)控及生理功能研究近年來，雖然我國在茶樹次生代謝生物合成和調(diào)控方面取得長足進展，許多參與茶樹次生代謝合成的基因相繼克隆，相關(guān)代謝通路的解析也相對清楚，但其潛在的調(diào)控機理及生理功能仍然不清楚。茶樹富含兒茶素、咖啡堿、茶氨酸、揮發(fā)性香氣物質(zhì)等次生代謝物，除參與茶葉品質(zhì)形成外，其潛在的生理功能仍需探索。今后，茶樹次生代謝的研究應(yīng)充分整合多維度生物數(shù)據(jù)，在進一步發(fā)掘次生代謝合成相關(guān)新基因的基礎(chǔ)上，加大分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的解析，并探索次生代謝產(chǎn)物潛在的生理功能，特別是以健康和育種為導(dǎo)向，推進成果的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
4. 探究茶樹逆境響應(yīng)的新機理近年來，對茶樹抗逆生理生化和基因發(fā)掘的研究已取得可喜成績，但對其抗逆調(diào)控機制的研究尚處起步階段。因此，今后茶樹的抗逆研究仍需進一步加大茶樹抗逆基因的發(fā)掘及其調(diào)控機制的解析工作，尤其注重相關(guān)研究的廣度與深度，探究茶樹抗逆新基因，解析抗逆新機制，為茶樹抗逆育種和產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展夯實理論基礎(chǔ)。
5. 加強茶樹發(fā)育生物學(xué)研究近年來，隨著遺傳學(xué)、細胞生物學(xué)和分子生物學(xué)相關(guān)知識和技術(shù)的快速積累，植物發(fā)育生物學(xué)得到了迅猛發(fā)展，特別是在植物開花、配子體發(fā)育、傳粉受精、胚胎發(fā)生、果實發(fā)育、根和莖端器官的發(fā)育方面取得了許多突破性進展。然而相比其他模式植物或園藝作物，茶樹的發(fā)育生物學(xué)研究進展也相對滯后。今后，茶樹發(fā)育生物學(xué)研究應(yīng)突出茶樹個體發(fā)育和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的特點，加大對茶樹重要組織器官發(fā)育規(guī)律和調(diào)控機理的研究，特別是針對茶樹葉用型的特點，加強茶樹芽葉形成、葉色轉(zhuǎn)變機理、表皮毛發(fā)育、根以及株型建成的研究，為更好理解并結(jié)合茶樹發(fā)育的特點，實現(xiàn)茶樹栽培和育種突破奠定理論基礎(chǔ)。
6. 加快茶樹遺傳轉(zhuǎn)化體系的建立茶樹遺傳轉(zhuǎn)化體系的建立應(yīng)借鑒其他作物成功的經(jīng)驗，整合全國相關(guān)單位組織培養(yǎng)和遺傳轉(zhuǎn)化的優(yōu)勢力量，在困擾當前茶樹遺傳轉(zhuǎn)化體系構(gòu)建的技術(shù)瓶頸，例如如何篩選合適的受體 (茶樹品種、組織器官、農(nóng)桿菌菌株等)，探索高效的轉(zhuǎn)化方法(農(nóng)桿菌介導(dǎo)、基因槍、納米負載等)，提高轉(zhuǎn)化效率，達到縮短茶樹遺傳轉(zhuǎn)化周期等技術(shù)上進行聯(lián)合攻關(guān)，力爭在短時間內(nèi)，建立茶樹高效、穩(wěn)定的遺傳轉(zhuǎn)化體系，為茶樹功能基因組學(xué)研究及其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供穩(wěn)定的遺傳學(xué)材料和理論支撐。
來源：中國茶葉
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