茶叶不同风味何处来:中国科学家全球首次解析茶树基因组
2017/05/06
5月1日中国科学家发表在Molecular Plant上的茶树基因组的研究文章破译了世界三大饮料植物之一茶树的基因组,能有助于解释为什么茶叶中含有丰富的抗氧化剂和咖啡因,并有望助力新的茶树新品种的培育。生物探索就相关问题对领导该研究的高立志研究员进行了邮件采访。


无论红茶、绿茶、乌龙茶或白茶都来自于常绿灌木茶树的叶子。尽管茶叶具有巨大的文化和经济意义,但人们对茶叶背后的灌木知之甚少。然而,5月1日中国科学家发表在Molecular Plant上的茶树基因组的研究文章破译了世界三大饮料植物之一茶树的基因组,能有助于解释为什么茶叶中含有丰富的抗氧化剂和咖啡因,并有望助力新的茶树新品种的培育。

中国科学院昆明植物研究所高立志研究员带领的研究团队于2010年首次在国际上启动了茶树基因组计划,联合华南农业大学、云南农业大学等中美韩多个机构;历时5年完成了栽培茶树大叶茶种“云抗10号”基因组的测序、组装、注释与分析,获得了世界上第一个较高质量的茶树参考基因组。生物探索就相关问题对高立志研究员进行了邮件采访。

在高立志研究员的工作之前,我国甚至全球对茶树的分子遗传研究还是很薄弱的,只有非常少的遗传信息,茶树生物学研究也相对滞后。本次测序的“云抗10号”是云南省农科院茶叶研究所1954年从自然群体中选育出的南糯大叶茶树抗寒后代,属国家级良种。以“云抗10号”鲜叶为原料可制作优良的红茶或绿茶,著名的比如“峨山银毫”。

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多拷贝的咖啡因和黄酮类生产基因让茶叶别具风味


了解茶树基因与近亲的区别可能有助于茶叶种植者弄清楚什么使茶树叶子如此特别。山茶属植物有100余种,但只有两大品种 (C. sinensis. var. assamica 和C. sinensis var.sinensis)的叶子适合制茶,而茶花、油茶和金花茶等非茶组植物的叶片不适合。高立志研究员解释说:“茶叶有各种风味,但神秘的是什么决定了茶叶的风味?或者什么是这些风味的遗传基础?”

以前的研究表明,茶叶富含一种叫做类黄酮的抗氧化剂,这种物质被认为是帮助植物在其环境中生存的分子。其中一种苦味的类黄酮叫儿茶素,与茶味有关。儿茶素和其他黄酮类化合物在茶树各品种中含量不同,咖啡因含量也不同。高立志研究员的团队发现,茶树的叶子不仅含有高含量的儿茶素、咖啡因和黄酮类化合物,而且还含有产生咖啡因和黄酮类化合物的基因的多个拷贝。


25种山茶属植物重要代谢途径的进化差异



咖啡因生物合成的进化

咖啡因和比如儿茶素的类黄酮不是蛋白质(因此不直接编码在基因组中),但茶叶基因编码的蛋白质可以制造它们。所有山茶属植物都有咖啡因和类黄酮产生途径,但每个物种在不同的层次上表达这些基因。这种变化也许可以解释为什么茶树的叶子适合泡茶,而茶组以外其他山茶属的叶子却不适合。

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茶树基因组大量重复序列让组装工作超过5年

研究结果显示在茶树基因组中超过一半的碱基对(67%)是反转录转座子序列,具有无数次复制和插入到基因组不同位点的能力。大量的转座子导致茶树基因组规模急剧扩张,某些基因(包括抗病的)可能是很多次的重复。研究人员认为,这些“扩张”的基因家族能够帮助茶树适应不同的气候和环境压力,因为茶树在各种气候条件下都生长良好。因为大量的转座子复制和插入似乎发生在茶树的进化史上相对是最近的时间上,研究人员认为至少部分的重复是由于人工培养造成的。然而,这些大量的重复序列也让茶树基因组的组装变得很艰难,众所周知基因组的组装超过了5年,尽管高立志研究员的团队已经成功地测序和组装了二十多个植物基因组。


茶树基因组和基因家族的进化

另一方面,茶树基因组比原先预期的要大得多。在30亿2000万个碱基对的长度上,茶树基因组的大小是咖啡基因组的四倍,远远大于大多数已测序的植物物种。科学家必须复制成千上万的基因组片段,对它们进行测序,并识别出现在多个片段中的重叠序列。这些重叠序列成为以正确的顺序将片段连接起来的标记。然而,当基因组本身包含的序列重复数百或数千次的话,这些测序形成的重叠末端序列就会消失在无数重复片段群里。就像组装一个上百万件的拼图,其中几乎所有的中间部分看起来好像一模一样。

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解析不同茶叶的遗传密码未来要做的工作

就基因组数据共享的问题我们咨询了高立志研究员。他介绍说他们团队已经初步构建了茶树基因组共享分析的网站,下一步将进一步完善,不断为全世界同行提供茶树乃至山茶属植物的基因组信息。


关于茶树的基因组还有更多的工作要做,无论是在复核基因组草图还是对世界各地不同茶树品种进行测序。随着遗传图谱的构建和新的测序技术,高立志研究员的团队正在研究一个新的茶树基因组计划:他们将分析基因拷贝数的变化,看看它们是如何影响茶叶的性质,比如味道。他们想得到一张茶树基因变异的地图,并回答它是如何被驯化、种植和分散到世界不同大洲的。

茶叶风味的形成与差别,包括茶叶的风味本身,非常难以定义,但人们品茗时可以感觉得到这些微妙的差异。高立志研究员指出要了解什么是茶树不同风味的遗传基础,用已获得的茶树基因组作为参考,除了测序并比较不同品种相关的基因的单核苷酸差异以外,应该结合基因表达谱、植物化学成分和代谢组学的数据进行整合分析才行。

最近开发出来的基于CRISPR/Cas系统的基因组编辑技术则能高效方便又精确地实现基因组的定向改造,在创造植物新品系上有着巨大潜力。毋庸置疑,茶树基因组的破解对将来基因编辑新茶树品种会有所帮助。

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