茶香之谜的“前世今生”

舒茶早茶树基因组景观图

为什么一杯绿茶有令人愉快的香味？中国的茶叶种植起源于哪里？许多关于茶树的科学难题仍有待解决。

作为世界上最早的茶叶使用者和最大的茶叶生产者，中国茶叶领域的研究人员感到非常负责任，并渴望发现茶树的基因组秘密。

最近，安徽农业大学茶树生物与资源利用国家重点实验室的万教授和研究团队找到了答案。他们获得了茶树染色体水平的高质量参考基因组，揭示了栽培茶树的适应性进化机制。相关的研究结果发表在《分子植物》在线版上。这将有力地促进茶树的基础生物学研究。

茶树种植历史悠久，基因测序是第一步。

中国是茶树的原产地，是世界上茶树种质资源最丰富的国家，也是茶叶生产和消费大国。目前，中国茶叶种植面积和茶叶产量居世界第一。作为世界上第一个种植、制造和饮用茶叶的国家，中国有着3000多年人工种植茶树的历史。

然而，由于对茶树中的许多重要基因及其位置信息知之甚少，茶科学的基础研究和应用研究非常有限。

“如果我们不对茶叶进行基因组研究，而是让外国研究人员打败我们，这对一个有着悠久茶叶种植历史的国家来说将是一件憾事。”万在接受《中国科学日报》采访时表示。

为了“为呼吸而战”，他们在12年前开始了茶树基因组研究。然而，由于当时测序技术的限制，相关工作进展缓慢。

他们开始了一项以国家茶树品种舒茶枣(一种中国品种)为测序材料的远程科学研究。由于茶树是自交不亲和植物，其基因组大，杂合性和重复序列含量高，给基因测序和组装带来很大困难。

2018年4月，该团队在美国国家科学院学报上发表了第一版高质量的舒茶早茶树基因组草图，该草图基于第二代和第三代测序技术，覆盖了93%的基因组区域。

然而，由于茶树的基因组非常复杂和庞大，有许多重复序列，第一版的组装质量仍有许多不足。因此，在测序技术和基因组组装水平快速发展的背景下，为了给世界茶学术界和工业界提供高质量的茶叶基因组版本，他们开始了新的征程。

“在舒查早基因组草图的基础上，利用单分子测序(PacBio)和染色体构象捕获(Hi-C)技术，我们最终获得了更准确的染色体水平茶树高质量参考基因组序列。特别是，更完整和准确的长末端重复反转座子序列(LTR)已被注释。”韦朝领告诉《中国科学》。

与之前报道的茶树基因组草图相比，基因组组装的准确性和完整性有了很大的提高。

随后，研究小组发现重复序列的高含量不仅是茶树基因组庞大的主要原因，也是基因平均长度增加和一些重复基因通过内含子插入功能分化的主要原因。茶树基因组的杂合区占整个基因组的18.8%。该区域包含3440个蛋白质编码基因，主要参与生物过程，如氮化合物转运活性、组蛋白修饰、激素合成等。

解开风味之谜，探索前世

目前，世界上有近60个国家种植茶叶，五大洲有150多个国家和地区饮用和消费茶叶。超过20亿人喜欢喝茶。人们迷恋茶的味道和香气。

那么，是什么决定了茶的独特风味和香气呢？

“次生代谢物，如多酚化合物、茶氨酸、咖啡因和挥发性化合物，决定了茶的味道和香气，这也是我们最关心的。用茶、喝茶和茶的保健功能主要依赖于次生代谢产物。茶树中茶多酚的积累非常高。在不同品种中，茶多酚约占茶叶干重的20%~40%万肖春介绍。

这些化合物含量如此之高的原因是“通过精确的基因组装，我们发现萜烯合成酶基因通过最近的串联复制显著增加了这些关键基因的拷贝数，并且它们在不同染色体上成簇分布，为解释茶含有丰富的芳香物质提供了重要线索”。韦朝领说，此外，萜烯合成酶基因也与茶树的抗性有关。

此外，植物学家总是想了解一个物种过去的生活。对他们来说，研究许多关键基因的进化是非常有趣的，比如这些基因来自哪里，它们是否已经渗入了其他物种的基因，它们是否会相互影响等等。

“我们对国内外81个茶树样本进行了深入测序，并构建了第一张具有代表性的栽培茶树和野生茶树基因组变异图。我们发现所选样品分为阿萨姆类型、中国类型和野生类型。”万肖春介绍。

该团队还通过比较基因组分析了茶树品种的进化和起源。发现茶树“祖先”种在6400万年前从亲缘关系最近的猕猴桃种分化而来，439万年前又分化为阿萨姆种和中国种。

此外，中国不同地区茶树遗传多样性的研究结果支持了中国西南是中国茶树起源的理论。他们还发现了一些人工驯化的基因，这些基因是在茶树品种选择和改良过程中被强烈选择的。

选择品质特性较好的品种

人类、动物和植物全基因组计划的最新研究结果证明，对一个物种进行全基因组序列分析是克隆基因、寻找与重要性状相关的候选新基因并鉴定其功能的最有效方法。

例如，拟南芥、水稻、玉米、酿酒葡萄和其他物种基因组测序的完成为它们各自物种的基因发现提供了非常重要的信息，也促进了植物学研究。

从韦朝领的角度来看，这一成果将为我国未来优良茶树种质资源的科学保护、重要农艺性状的基因发现和遗传育种研究提供高质量的数据资源和理论依据。它还将进一步推动山茶基因组进化、茶树起源和遗传多样性等重大基础生物学问题的研究进程。

茶是中国的“国酒”，是世界公认的最重要的天然保健饮料。

“有了高质量的参考基因组和破解的味觉和嗅觉密码，我们就可以利用茶树次生代谢产物独特的形成机制来控制这些代谢产物的基因簇，发挥其保健功能，这将成为茶树功能基因组学研究的一个重要方向。”万指出。

"很快，我们将选择具有更好的饮用品质特征的品种."韦朝领说，这将促进世界对茶的理解、传播和利用。

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.molp.2020.04.010