揭秘茶香之谜——安徽科学家破解中国种茶树全基因组密码

◎文/陆婉清（安徽省科学技术情报研究所）

茶树起源于我国西南地区，并通过古丝绸之路传播至世界各地，目前全世界已有50多个国家引种茶树。茶之所以广受欢迎，除了有迷人的香气和令人愉悦的滋味，还因为茶叶中含有许多对人们健康有益的特征性成分，诸如茶多酚、茶氨酸、咖啡因、茶多糖、维生素、芳香油和矿物质等。我国现存最早的中医医药典籍《本草经》记载：“神农尝百草，日遇七十二毒，得荼（茶）而解之。”这说明了茶的神奇功效。

一、茶组植物制茶的奥秘

茶树属于山茶科属植物，该属有100多个种植物，但只有茶组植物的叶子适合制茶，而非茶组植物，如茶花、油茶和金花茶等的叶片不能作为茶饮。原因在于茶树和其他茶组植物富含茶多酚、茶氨酸和咖啡因等。除此之外，茶树近期(3000万年～4000万年前)曾经发生过一次全基因复制事件，加上大量的特异基因家族的扩增，导致茶树基因组里与茶叶的香气、风味与品质密切相关的基因显著扩增，扩增的结果不仅促进茶树适应全球多样化环境，还通过优胜劣汰的自然选择促进了茶树抗病基因家族的增长，使其成为世界性饮料植物。

二、中国种茶树基因组为何难以破译

世界主要栽培的茶树分属两个变种：中国种（CSS）和阿萨姆种（CSA）。前者叶小，灌木型，抗寒性强，分布广泛，适合制绿茶等六大茶类；后者叶大，乔木型，抗寒性较弱，主要分布在热带和冬季温暖的亚热带地区，适合制红茶和普洱茶。中国拥有3000多年的饮茶历史，是世界上最大的茶叶种植国。来自国际茶树委员会的数据显示，2016年，全球茶叶产量546.3万吨，其中中国产茶量235万吨。然而，在世界三大饮料植物中，咖啡和可可的基因组相继被欧美国家完成了测序，世界栽培最广的中国种茶树基因组却迟迟未被破译。

茶树是一种自交不亲和的异交植物，种间频繁杂交导致基因组杂合度高（2.8%）。在过去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特别是近期的大量爆发，它们长期而缓慢地扩增，却又缺少有效的DNA删除机制，导致茶树基因组变得十分庞大（约3.0G）且重复序列含量极高，致使获得高质量参考基因组难度极大。

三、《PNAS》茶树基因组研究思路

安徽农业大学茶树生物学与资源利用国家重点实验室宛晓春教授研究团队，联合深圳华大基因和中国科学院国家基因研究中心（上海）等相关研究团队，解密了中国种茶树的全基因组信息，研究成果在线发表于《PNAS》上。

中国种茶树基因组组装。研究团队以国家级茶树品种舒茶早（中国种）为材料，整合二代Illumina Hiseq2000和三代PacBio两大测序平台的优势，采用杂合组装策略，获得了高质量的茶树全基因组信息。分析发现，中国种基因组大小为3.1G，重复序列含量为64%；组装的contig、scaffold N50 长度分别为 67.07kb、1.39Mb，注释得到33932个高可信度的蛋白编码基因 (见图1A)。通过BAC文库测序数据、其他的DNA序列和ESTs序列对组装的准确度及完整性进行评估，同时与已报道的大叶种（阿萨姆种）基因组进行了比较分析。BACs评估发现中国种茶树基因组覆盖度达到了98.3%，而阿萨姆种茶树只有84.6%。同时BUSCO保守核心真核基因评估结果显示中国种茶树仅缺失6个保守基因（占2%），而阿萨姆种茶树缺失16个保守基因（占5.2%）。来源于GeneBank的茶树EST序列评估结果显示，中国种茶树覆盖度为93%，而阿萨姆种茶树为89%。

图1 中国种茶树基因组图谱

中国种茶树基因组进化研究。研究发现茶树原始祖先种与猕猴桃的物种分化时间大约发生在8000万年前，阿萨姆种茶树和中国种茶树在38万年～154万年前由共同祖先发生进化分歧。两者间DNA、蛋白直系同源基因的平均序列相似性分别为92.4%、93.9%(见图1B)。开花植物在进化历史中往往会存在全基因复制事件，并且这些基因与农艺或植物特异性性状相关。基因共线性分析发现茶在历史进程中发生了两次全基因复制事件，分别发生在9000万年～1亿年前和3000万年～4000万年前。

图2 茶树及6种近缘植物SCPL1A基因家族进化

四、揭示茶叶富含风味物质之谜

儿茶素类物质是形成茶叶风味的主要特征性次生代谢物。茶树中之所以富含该类物质，与其关键合成酶基因扩增有关。研究发现，近期的全基因组复制事件及后续串联复制导致了大多数次生代谢相关基因拷贝数显著扩增。值得关注的是，涉及包括儿茶素在内的小分子次生代谢产物酰基化反应的酰基转移酶（SCPL）基因发生大量扩增，其中的18%是由近期全基因组复制事件产生的，而68%则是通过近期串联重复产生(见图2)。儿茶素的生物合成受到复杂的转录调控，许多与生物逆境和非生物逆境相关的转录因子都与儿茶素含量高度相关(见图3)。

图3 茶树儿茶素生物合成通路关键酶基因表达与进化

图4 茶树茶氨酸代谢通路关键酶基因进化与功能验证

咖啡碱是茶叶中主要苦味物质。研究发现茶树中咖啡碱合成途径在进化上独立于可可和咖啡，合成咖啡碱的关键酶基因拷贝数扩增也是通过茶树近期全基因组复制事件和后续的串联复制产生的。

茶氨酸是决定绿茶鲜爽味的主要物质。研究发现并验证了一个参与茶氨酸合成的关键酶基因（CsTSI），通过表达模式分析、乙铵诱导处理、转基因分析都证明CsTSI具有合成茶氨酸的酶活性(见图4)。

通过与其他10种代表性的植物基因组比较发现，与茶叶风味相关的萜烯类等物质的合成酶基因在茶树基因组中也有显著扩增。

五、中国种茶树全基因组密码破译的意义

基础研究。高质量基因组图谱的成功绘制揭示了决定茶叶适制性和风味物质形成的基因信息，将进一步推动茶组植物基因组进化、茶树起源和遗传多样性、茶叶特征性次生代谢物形成机理等重大基础生物学问题的研究。

科学育种。中国种茶树全基因组的破译，将大大加速茶树功能基因组学研究和优异新基因及分子标记发掘，加快提高茶叶品质和适应性的茶树新品种培育，使茶树品种按生产和市场的需求方向培育成为可能。

品种保护。基于茶树基因组信息，可以开发用于茶树品种鉴定与保护的分子指纹，进而为保护品种选育人和消费者合法权益提供技术支持。

文化传播。中国种茶树基因组图谱的完成，将因其独特的科技与文化魅力促进中国文化的传播，通过多样化的风味，在全球满足和吸引更多的茶饮者，将中国茶和茶文化弘扬光大。