茶树生物学“十三五”进展及“十四五”发展方向
2021-10-20 作者: admin 来源: 未知 已阅读次
茶树是山茶科（Theaceae）山茶属（Camellia）茶组植物，富含茶氨酸、儿茶素、咖啡碱等特征性次生代谢物，是我国重要的经济作物。茶树生物学的研究内涵主要是以茶树为研究对象，综合运用植物遗传学、生理学、生物化学、分子生物学和组学等学科的理论与技术，通过挖掘关键基因，解析生化功能，揭示分子机理，构建调控网络，为认识茶树生命规律及发展未来茶叶科技提供科学指导。近5年来，以产业发展需求为导向，我国茶叶工作者凝心聚力，在茶树基础生物学研究上取得了可喜的成绩，特别是在茶树基因组解析、重要功能基因分离克隆、次生代谢产物合成/调控及其生理功能、抗逆新机制解析等领域取得了重要进展。
茶树阿萨姆变种是我国西南地区及周边国家的主要栽培型茶树，属乔木型，叶大，适制红茶和普洱茶。2017年6月，高立志团队以云抗10号茶树品种为材料，解析了栽培茶树阿萨姆变种的参考基因组，开启了茶树基因组学研究的序幕。茶树基因组近期曾经发生过一次全基因组重复事件，并且通过显著性地扩增与黄酮、萜类物质生物合成及抗病基因来影响其儿茶素含量分布、茶叶风味和茶树的全球生态适应性。研究还对25种山茶属代表性植物的儿茶素类化合物、茶氨酸和咖啡碱含量进行测定发现，茶组植物和非茶组植物在儿茶素类化合物和咖啡碱含量上差异明显；进一步基因表达和进化分析表明，儿茶素类化合物代谢通路和咖啡碱代谢通路基因的表达模式和序列变异可能是造成该现象的主要原因，与茶叶的品质和适制性密切相关。
茶树原变种是目前栽培最为广泛的茶树类型，具有叶小、分布广、适制性高等特点。2018年3月，宛晓春团队以舒茶早为材料破译了茶树原变种的基因组。发现栽培茶树与猕猴桃的物种分化时间大约发生在8 000万年前，茶树原变种与阿萨姆变种的物种分化时间发生在38万～154万年前。与阿萨姆变种类似，茶树原变种基因组近期曾发生过一次全基因组重复事件，且该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。首次发现并证实了一个参与茶氨酸合成的关键酶基因（CsTSI） 具有体外合成茶氨酸的酶活性。陈亮团队和宛晓春团队分别对茶树舒茶早基因组组装的连续性和基因注释的完整性进行了提升，获得了茶树全基因组重复事件对茶叶品质和抗性形成深入的认识。
2020年4月，宛晓春团队进一步以舒茶早为材料，获得染色体级别的茶树原变种参考基因组序列。发现茶树基因组高含量的重复序列不仅是其基因组庞大的主要原因，而且还可通过内含子插入使得基因平均长度增加和部分重复基因的功能发生分化。发现所选取样品被清晰地分为阿萨姆类型、中国种类型和野生类型；来自国内不同地区的茶树遗传多样性研究结果支持了我国茶树的西南起源假说，同时鉴定得到一些与茶叶品质和茶树抗逆性密切相关的候选驯化基因。
2020年4月，以碧云为材料，高立志团队获得了茶树原变种碧云染色体级别的参考基因组。发现茶树原变种和阿萨姆种基因组中LTR逆转录转座子经历了较为相似的进化历史。
2020年9月，杨亚军团队以龙井43为材料，获得了茶树原变种龙井43约3.26 Gb的参考基因组，注释得到33 556个高质量的蛋白编码基因。发现大量与茶树抗病、风味代谢和自交不亲和相关的基因家族在龙井43基因组中发生了显著扩张，且与抗逆等相关基因受到强烈的正选择。系统构建了栽培茶树的群体结构及其进化历史。发现茶树栽培区域的扩张和引种驯化显著增加了茶树种群间的杂合性和基因流；揭示了茶树原变种和阿萨姆变种在驯化过程中的选择方向存在差异；相比阿萨姆变种，茶树原变种中与风味相关的萜烯类代谢基因和抗病基因在驯化过程中更倾向于受到强烈的选择。
2021年5月，以乌龙茶适制品种黄棪为材料，叶乃兴团队获得茶树原变种黄棪二倍体染色体级别基因组与单体型染色体级别基因组。发现黄棪与舒茶早和龙井43品种之间存在广泛的结构变异，包含大量诸如萜烯类合成酶等与香气途径相关的基因，可能与黄棪的高香品种特性有关。此外，刘仁义、杨贞标团队联合陈亮团队还利用136个代表性茶树资源的转录组和代谢组学数据，深入研究了茶树种群与特殊代谢物之间的关系，为阐明茶树中特殊代谢物的多样性形成机理奠定了基础。
2020年7月，以采自云南保山深山中的一株野生茶树为材料，闻玮玮团队完成了首个高质量染色体级别的茶树野生近缘种DASZ基因组。发现相比舒茶早基因组，DASZ基因组注释出更多的R基因，可能与其抗逆性密切相关。揭示了中国茶树育种中存在诸如福鼎大白茶和铁观音等数个骨干亲本；茶树种质资源间基因交流频繁，遗传多样性丰富。鉴定出176个与茶树儿茶素类化合物生物合成显著关联的遗传变异位点和关键基因。选择性清除分析发现，古茶树和栽培种在遗传和代谢水平上并未显著分化，暗示着茶树在风味品质上可能未受到长期定向的人工选择。
以茶树基因组图谱为框架，“十三五 ” 期 间 先 后 构 建 了TPIA（Tea plant information archive）、TeaPGDB（Tea plant genome database）茶树基因组数据库。以茶叶代谢和健康功效数据为基础，分别构建了TMDB（Tea metabolome database）、TBC2health、TBC2target数据库。茶树可变剪切数据库TeaAS（Tea alternative splicing database）近期也上线运行。
2. 克隆了一批与茶叶品质和茶树抗性相关的功能基因
证明了CsTSI具有体外合成茶氨酸的酶活性。CsTSI基因的克隆不仅为培育高茶氨酸茶树品种提供了一个重要新基因，也为揭示茶树茶氨酸调控的分子机制提供了新线索。
验证了R226、I241和C27是影响CkTcS N9-甲基转移活性的关键氨基酸残基。CkTcS基因的克隆为今后培育富含苦茶碱茶树新品种或通过微生物发酵合成苦茶碱奠定重要理论基础。
（3）克隆了芳樟醇/橙花叔醇合成关键基因CsLIS/NES
该基因属茶树萜烯类合成酶基因，在茶树叶片和花中，可通过可变剪切形成全长（CsLIS/NES-1）和断头（CsLIS/NES-2）两个转录本，其蛋白产物分别定位于叶绿体和细胞质，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基因的克隆对增进茶叶香气品质的定向育种、栽培和加工技术具有重要的指导意义。
（4） 克隆了参与茶树单宁化合物水解的关键基因CsTA
发现不同于微生物的单宁酶基因，植物的单宁酶基因具有独立的进化起源。茶树单宁酶CsTA基因的发现和克隆为茶树等富含单宁化合物的园艺作物品质调控和优良品种选育提供了理论依据。
此外，如CsGS2、AlaDC、CBF、CsWRKY2等与茶叶品质和抗性相关的基因也相继克隆。这些基因的克隆对深入认识茶树重要农艺性状形成的遗传基础具有重要意义，同时也为通过遗传改良培育优质、高产、多抗的茶树新品种提供了重要靶点。
克隆参与紫娟茶树品种花青素调控的关键基因CsMYB75和CsGSTF1。烟草过表达CsMYB75基因能够激活CsGSTF1基因的表达，证实CsGSTF1可参与茶树花青素苷的液泡转运。从龙井43中分离克隆CsMYB4a基因，发现CsMYB4a可以结合CsC4H、 Cs4CL、CsCHS、CsLAR和CsANR2基因的启动子，调控茶树花青素的积累。研究还发现茶树花青素的生物合成亦受到DNA甲基化的调控，紫娟茶树品种的CsAN1基因启动子的甲基化程度与其花青素含量存在一定联系，CsAN1基因启动子低甲基化水平会导致紫娟芽叶中花青素的大量积累。
遮阴条件下，茶树鲜叶中黄酮醇、儿茶素类物质含量降低，黄酮类代谢途径基因（CsCHS、CsF3'5'H、CsDFR、CsFLS及CsUGT等） 转录水平显著下降，且与UV-B光信号转导途径基因表达高度相关。
从舒茶早中克隆根部特异表达的茶氨酸合成酶关键基因CsTSI，相比茶树根部组织，茶树的叶片组织尤其是嫩梢中也发现较高含量的茶氨酸，其含量积累可通过原位合成和根部运输实现。茶树细胞质和叶绿体是茶树嫩梢组织茶氨酸生物合成及分布的主要场所，证实CsGS1.1和CsGS2是茶树叶片组织茶氨酸生物合成的关键酶基因，且其含量和分布受到光照的调控。分离并克隆参与茶树茶氨酸转运的关键基因CsAAP1（Amino acid permease），该基因在茶树根中的表达模式与茶氨酸的运输季节及从根到新梢的运输效率高度相关，表明CsAAP1在茶树茶氨酸长距离运输过程中起到重要作用。丙氨酸脱羧酶基因AlaDC（Alanine decarboxylase）在茶树根中的表达水平显著高于叶片组织，可以催化丙氨酸脱羧生成乙胺，参与茶氨酸降解的关键基因CsPDX2.1（Pyridoxine biosynthesis 2）在白化茶树品种中的表达水平显著低于绿色茶树品种，可催化茶氨酸水解为乙胺和谷氨酸，表明CsPDX2.1基因具有体外水解茶氨酸的功能。
与茶氨酸合成和转运基因分离克隆相比，茶树茶氨酸生物合成的分子调控机理研究起步较晚。构建了茶树茶氨酸代谢通路基因与转录因子的共表达网络，鉴定得到14个可能参与茶树茶氨酸生物合成调控的候选MYB转录因子，为今后茶氨酸调控网络解析奠定了重要的数据基础。负调控茶氨酸生物合成的关键基因CsMYB73属 R2R3 类型 MYB 转录因子，为核定位蛋白，其在茶树叶片发育过程中的表达模式与茶氨酸的积累模式呈负相关关系。参与茶树茶氨酸生物合成的正调控转录因子CsMYB6可通过结合茶氨酸合成酶关键基因CsTSI的启动子，激活CsTSI的表达，正调控茶树茶氨酸的生物合成。
茶树咖啡碱合成酶基因TCS编码369个氨基酸，既可催化7-甲基黄嘌呤转化为可可碱，也可催化可可碱转化形成咖啡碱。TCS1基因在茶组植物中具有多个等位变异，其中TCS1的第269位氨基酸残基对 TCS 的活性和底物识别中起着重要的作用。对来自中国14个省共计44个茶树品种的TCS1基因进一步比较分析发现，茶树TCS1基因的外显子区包含31个单核苷酸多态性位点（SNP），其中SNP4318的定点突变（His153Tyr）可显著提高茶树可可碱合成酶和咖啡碱合成酶的活性，验证了SNP4318变异与咖啡碱含量的关系。
红芽茶和可可茶是2种以含可可碱而非咖啡碱为主的茶树物种。HYC和CCT分别是红芽茶和可可茶的咖啡碱合成酶基因。研究发现，HYC和 CCT均编码365个氨基酸，二者仅在第227位（Glu227Lys）和287位（Arg287His） 存在2个氨基酸的差异。重组蛋白酶活实验表明，HYC和CCT均只能催化可可碱的形成而不能以可可碱为底物继续合成咖啡碱。
（1）发现香气糖苷物质应答茶树低温和病虫害的新功能
茶树香气糖苷在茶叶香气品质形成及茶树逆境胁迫应答中具有双重作用。邻近茶树接触到受害茶树释放的挥发物质后，会提前启动自身的防御系统。进一步通过对受害茶树释放的挥发物质定量分析，结合外源挥发物质暴露实验，发现顺-3-己烯醇等香气物质在茶树个体间信号传导中发挥着重要作用。在茶树中筛选到可高效转化顺-3-己烯醇的关键酶基因UGT85A53，该基因可催化顺-3-己烯醇发生糖苷化，参与茶树的虫害防御反应。
茶树香气糖苷物质还可参与茶树低温胁迫的防御反应。在茶树中分离克隆了可特异性催化橙花叔醇糖苷化的基因CsUGT91Q2。茶树体内抑制该基因的表达可显著降低茶树橙花叔醇糖苷的积累及抗寒能力。外源施加橙花叔醇，可促进CsUGT91Q2的表达及茶树橙花叔醇糖苷的积累，并提高茶树的抗寒能力，表明橙花叔醇糖苷化在茶树低温胁迫应答中具有重要作用。
（2）揭示芳香族挥发物吲哚防御茶树病虫害的生理功能
茶树在遭受茶尺蠖幼虫取食后会大量释放吲哚。用生理浓度的吲哚处理茶苗后可以显著诱导茶树中钙离子信号、丝裂原活化蛋白激酶、茉莉酸合成等早期信号通路，通过提高茉莉酸、茉莉酸异亮氨酸以及防御相关次生代谢物的含量，增强茶树对茶尺蠖的抗性。进一步利用信号通路抑制剂结合生物学测定和代谢物分析，证实了钙离子和茉莉酸途径是吲哚引发茶树防御警备、提高茶树抗虫性的必需条件。
1. 加强茶树及其野生近缘植物种质资源的收集与保存
目前全国大部分茶树种质资源圃还倾向于收集和保存大量茶树育成品种或品系，同质化明显且遗传多样性相对较低，鲜有茶树地方品种或野生近缘种的收集与保存。然而，近年来野生茶树的茶叶制品被过度炒作，茶叶市场“野生茶”“古树茶”需求剧增，导致部分茶树野生近缘种群被过度采集，生境遭遇破坏。此外，茶树良种的大面积推广，也一定程度上压缩了一些遗传变异相对丰富的地方良种的生存空间，造成部分地方良种亦处于消失的边缘。因此，今后在茶树种质资源的收集工作中，建议重视加大对茶树地方品种和野生近缘种的收集与保存工作，特别是对一些生境已处于濒临破坏的资源重点进行抢救性收集和繁育，为今后茶树遗传育种奠定材料基础。
以茶树种质资源收集为依托，进一步突破茶树育种理论是实现茶树高效育种的关键，其核心是加快重要农艺性状相关功能基因的发掘，解析茶树重要农艺性状形成的遗传基础。基于基因型和表型数据进行大规模全基因组关联分析是目前解决该问题的有效途径，然而不管是从资源的收集到核心种质的构建，还是从基因型和表型数据的获取到生物信息数据的分析，还是从功能基因的验证到品种的育成和推广，均需凝聚各单位和各学科领域科研人员的力量。只有充分发挥领域和学科优势，才能力求在“十四五”阐明茶树重要农艺性状形成的遗传基础，明确茶树主要性状的遗传规律和相关基因的调控机制，这将有助于实现茶树育种理论的重大突破，为定向培育优质、高产、多抗的茶树多元化新品种夯实理论基础。
3. 进一步加强茶树次生代谢合成、调控及生理功能研究
近年来，虽然我国在茶树次生代谢生物合成和调控方面取得长足进展，许多参与茶树次生代谢合成的基因相继克隆，相关代谢通路的解析也相对清楚，但其潜在的调控机理及生理功能仍然不清楚。茶树富含儿茶素、咖啡碱、茶氨酸、挥发性香气物质等次生代谢物，除参与茶叶品质形成外，其潜在的生理功能仍需探索。今后，茶树次生代谢的研究应充分整合多维度生物数据，在进一步发掘次生代谢合成相关新基因的基础上，加大分子调控网络的解析，并探索次生代谢产物潜在的生理功能，特别是以健康和育种为导向，推进成果的产业化应用。
近年来，对茶树抗逆生理生化和基因发掘的研究已取得可喜成绩，但对其抗逆调控机制的研究尚处起步阶段。因此，今后茶树的抗逆研究仍需进一步加大茶树抗逆基因的发掘及其调控机制的解析工作，尤其注重相关研究的广度与深度，探究茶树抗逆新基因，解析抗逆新机制，为茶树抗逆育种和产业健康发展夯实理论基础。
近年来，随着遗传学、细胞生物学和分子生物学相关知识和技术的快速积累，植物发育生物学得到了迅猛发展，特别是在植物开花、配子体发育、传粉受精、胚胎发生、果实发育、根和茎端器官的发育方面取得了许多突破性进展。然而相比其他模式植物或园艺作物，茶树的发育生物学研究进展也相对滞后。今后，茶树发育生物学研究应突出茶树个体发育和产业应用的特点，加大对茶树重要组织器官发育规律和调控机理的研究，特别是针对茶树叶用型的特点，加强茶树芽叶形成、叶色转变机理、表皮毛发育、根以及株型建成的研究，为更好理解并结合茶树发育的特点，实现茶树栽培和育种突破奠定理论基础。
茶树遗传转化体系的建立应借鉴其他作物成功的经验，整合全国相关单位组织培养和遗传转化的优势力量，在困扰当前茶树遗传转化体系构建的技术瓶颈，例如如何筛选合适的受体 （茶树品种、组织器官、农杆菌菌株等），探索高效的转化方法（农杆菌介导、基因枪、纳米负载等），提高转化效率，达到缩短茶树遗传转化周期等技术上进行联合攻关，力争在短时间内，建立茶树高效、稳定的遗传转化体系，为茶树功能基因组学研究及其产业化应用提供稳定的遗传学材料和理论支撑。
责任编辑：千鹤茶苗