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茶树生物学与资源利用安徽省实验室破解中国种茶树全基因组密码

安徽农业大学茶树生物学与资源利用安徽省实验室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,破解了世界上分布最广的中国种茶树的全基因组信息,相关成果以“基于全基因组测序探究中国种茶树基因组和品质相关基因的进化机制”为题,于4月21日在线发表于《美国科学院院刊》。以上研究成果得到科技部973、国家自然科学基金、安徽省茶产业振兴计划、安徽省创新省份建设专项基金等项目的资助,将进一步促进对山茶属植物的物种进化、茶叶风味物质形成机理、分子育种、茶树种质资源利用与保护的研究,对茶文化的繁荣与传播等也具有重要意义,标志着我国茶树生物学基础研究取得重大突破,也是我省组建首批安徽省实验室取得的重大标志性成果。

世界主栽茶树分属两个变种: 中国种和阿萨姆种,前者叶小,分布广泛,适制绿茶等六大茶类;后者叶大,主要分布在热带和冬季温暖的亚热带地区,适制红茶和普洱茶。研究团队以国家级茶树品种舒茶早(中国种)为材料,用二代和三代测序技术对其进行测序,采取杂合组装策略,获得覆盖基因组93%区域的高质量序列草图,注释出33,932个高可行度的茶树基因。结果显示,中国种基因组大小为3.1Gb,重复序列含量为64%;组装的contig 和 scaffold N50 长度高达67.07 kb 和 1.39 Mb。研究发现,茶树祖先种大约在8000万年前与猕猴桃物种发生分化,继而在38-154万年前,又分化形成中国种和阿萨姆种。

茶树中丰富的儿茶素、茶氨酸、咖啡碱和萜烯类等特征性化合物,赋予了茶叶独特的风味。研究发现,茶树基因组发生过两次全基因组复制事件,最近一次发生在3000-4000万年前,该事件及后续串联复制导致了与儿茶素类物质和咖啡碱生物合成相关的基因拷贝数显著增加。进一步研究发现,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。团队分析发现了一个参与茶氨酸合成的关键酶基因(CsTSI),并通过转录组学和转基因分析,证明CsTSI具有合成茶氨酸的酶活性。比较基因组分析发现,萜烯类等物质的合成酶基因拷贝数在茶树基因组中也发生显著扩增,有助于增强茶叶的香气。这些发现首次从基因组层面系统阐述了茶叶中富含独特的风味物质之谜。