我国首次成功破译茶树基因组

我国首次成功破译茶树基因组

茶作为最早饮料，其相关的可信记录可以推至公元前三世纪、我国的商代时期。茶叶不仅在中国而且在世界范围内具有巨大的经济和文化价值。日前，我国科学家经过7年研究，终于率先在国际上破解了茶树的基因组。

相对于“世界三大饮料植物”中的咖啡和可可而言，茶树基因组具有高杂合、高重复和基因组庞大等特点。由中科院昆明植物所牵头的联合科研团队通过基因组建库与测序等一系列关键技术，攻克了茶树基因组测序的难题，在国际上率先获得了高质量的茶树基因组序列。

中国科学院昆明植物所研究员高立志介绍说，茶树基因组中重复序列含量极高，占到了整个基因组的将近90%。在过去的5000万年间，茶树基因组变得十分庞大。测序结果发现，这个茶树基因组序列达到了3.02亿个碱基对，总共从里面注释出36591个编码基因。

研究表明，茶叶中含有茶氨酸、咖啡因、维生素、芳香油和矿物质等很多特征性成分，茶树基因组图谱的成功绘制，对揭示决定茶叶适制性、风味和品质，以及茶树全球生态适应性的遗传基础都有重要促进作用。

（据央视网）

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我国科学家在国际上首次成功破译茶树基因组

世界三大饮料植物中的咖啡和可可的基因组已经相继被欧美国家完成了测序。中国科学院昆明植物研究所高立志研究员带领的植物种质资源、基因组学与生物信息学研究团队于2010年首次在国际上启动了茶树基因组计划，通过基因组建库与测序等关键实验技术的掌握和基因组序列拼接、注释与分析等生物信息学平台的构建，攻克了茶树高杂合、高重复和基因组庞大的植物基因组测序的难题，联合华南农业大学、云南农业大学、广东省农业科学研究院、辽宁师范大学、云南省茶叶科学研究所、金华国际山茶园、华中农业大学和华盛顿大学等单位的相关研究团队，率先在国际上完成了栽培茶树大叶茶种（Camellia sinensis var.assa⁃mica）云抗10号核基因组的测序和组装，获得了约30.2亿碱基对的高质量基因组参考序列，注释得到36951个蛋白编码基因。

研究表明，茶树基因组中重复序列含量极高，约占整个基因组的80.9%；在过去的5000万年以来，茶树基因组中长末端重复序列反转录转座子家族经历了多次大量的爆发，加上它们长期而缓慢地扩增但缺少有效的DNA删除机制，导致茶树基因组变得十分庞大；特别地，研究发现最大的长末端重复序列反转录转座子家族约占茶树基因组的36.79%，这是单个长末端重复序列反转录转座子家族在植物基因组里扩张和生存长达5000万年的首次报道。研究还发现，茶树近期曾经发生过一次全基因组重复事件；茶树基因组里与茶叶的香气、风味与品质密切相关的诸如黄酮、萜类等生物合成相关的基因家族显著地扩增；除了参与黄酮和萜类生物合成的基因家族的大量扩增可以促进茶树环境适应性以外，发现强烈的自然选择促进了茶树抵抗生物和非生物逆境的抗病基因家族的大量增长，诠释了为什么茶树可以在全球扩散并广泛地种植在亚洲、非洲、欧洲、北美、南美和大洋洲的不同气候条件下的多样化生境中而成为世界性的饮料植物。

茶树所在的山茶属植物多达119种，一个重要但长期困惑的问题是为什么只是茶组植物的叶子适合制茶而非茶组植物诸如我们熟知的茶花、油茶和金花茶等的叶片不作为茶饮。通过对大多数茶组植物和非茶组的代表植物共25个山茶属物种中决定茶叶适制性和品质的三个主要的特征性成分（儿茶素或茶多酚、茶氨酸和咖啡因）进行了植物化学成分比较分析，发现茶树和其他的茶组植物富含茶多酚和咖啡因而区别于非茶组物种，比如茶多酚中的特征性成分（EGCG，EGC，C，EC和ECG）的含量在茶组物种之间差别很大但显著地高于非茶组物种，而茶氨酸含量没有显著差别，说明高含量的茶多酚和咖啡因决定了山茶属植物能否适合制茶和茶叶风味。基于茶树基因组里获得的与茶多酚、茶氨酸和咖啡因生物合成相关的基因序列，比较基因组学研究发现茶组与非茶组物种共同地拥有与茶叶特征性成分生物合成相关的基因，说明了茶树的三大特征性成分的生物合成途径约在六百多万年前在山茶属植物的共同祖先里就已形成并且高度保守至今。

进一步的研究发现，与茶多酚和咖啡因生物合成相关的关键基因在茶组植物中的表达水平显著地高于非茶组植物，但是与茶氨酸生物合成相关基因的表达模式在两者之间则无明显区别，说明了茶多酚和咖啡因代谢通路相关基因的不同表达模式决定了山茶属植物作为茶饮的适制性、茶叶的品质和滋味；茶多酚和咖啡因代谢通路相关基因表达的巨大差别导致了茶组不同物种中茶多酚和咖啡因的不同富集进而形成了多种多样的茶叶的风味。研究表明，茶树的野生近缘物种厚轴茶含有非常高的茶多酚但是极低的咖啡因，具有培育茶树新品种的巨大潜力，茶组中的栽培茶树的野生近缘物种因蕴藏着丰富的优异新基因，是未来茶叶品质改良的巨大宝库。

图1 茶树基因组中LTR逆转录转座子的进化

图2 茶树基因组和基因家族的进化

图3 25种山茶属植物植化成分和比较转录组学研究

图4 茶树、咖啡和可可咖啡因合成酶基因的进化

通过三大饮料植物的比较基因组学分析发现，相对于咖啡，咖啡因生物合成途径在茶树和可可中发生了独立的进化，这与咖啡基因组报道的咖啡因生物合成途径的协同进化的发现明显有别。进一步分析发现，茶树和其他山茶属植物的咖啡因生物合成途径可能起源于可可，但是后来经历了独立的进化，首次证实了茶树咖啡因生物合成途径的近期发生了快速而独立的进化。

茶树高质量基因组图谱的成功绘制揭示了决定茶叶适制性、风味和品质以及茶树全球生态适应性的遗传基础，必将大大地加速茶树功能基因组学研究和优异新基因发掘，加快旨在提高茶叶品质和适应性的茶树新品种培育。

毋庸置疑，山茶属中第一个基因组的获得必将有助于山茶属植物比较基因组学研究的开展，透彻地了解山茶属植物基因组与基因的进化规律，极大地促进世界四大木本油料植物之一的油茶、世界十大名花山茶花和被誉为“植物大熊猫”的金花茶的遗传育种。大规模的植物化学、转录组和功能综合数据库的建立，必将大大地促进茶树中特征性生物合成通路的代谢组学和功能基因组学解析，推动旨在满足并吸引世界范围内越来越多的品茗者对多样化茶叶风味的茶树新品种培育。野生古茶树制作的茶叶在市场上不菲的售价使得这些珍贵的自然资源遭受大量严重的破坏，茶树高质量基因组序列和大量转录组变异数据的获得将会促进全球野生茶树种质资源的遗传保护。茶树基因组图谱的完成也必将以其独特的科技与文化魅力助力“一带一路”，在新的岁月里以茶叶为载体再次向全球输送中国的文化。

该成果于2017年5月1日以“The tea tree genome pro⁃vides insights into tea flavor and independent evolution of caf⁃feine biosynthesis”为题在线发表于《Molecular Plant》；该研究团队博士生夏恩华、张海滨、张群洁，云南农业大学盛军教授，硕士生李奎为并列第一作者。研究项目的完成得到了云南省高端科技人才引进计划、云南省百名海外高层次人才引进计划、国家自然科学基金、云南省自然科学基金重点项目和中国科学院“百人计划”海外杰出人才择优支持等项目的支持。

（来源：中科院昆明植物研究所网站/高立志）