揭秘茶香之謎
——安徽科學(xué)家破解中國種茶樹全基因組密碼

◎文/陸婉清（安徽省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所）

茶樹起源于我國西南地區(qū)，并通過古絲綢之路傳播至世界各地，目前全世界已有50多個(gè)國家引種茶樹。茶之所以廣受歡迎，除了有迷人的香氣和令人愉悅的滋味，還因?yàn)椴枞~中含有許多對人們健康有益的特征性成分，諸如茶多酚、茶氨酸、咖啡因、茶多糖、維生素、芳香油和礦物質(zhì)等。我國現(xiàn)存最早的中醫(yī)醫(yī)藥典籍《本草經(jīng)》記載：“神農(nóng)嘗百草，日遇七十二毒，得荼（茶）而解之。”這說明了茶的神奇功效。

一、茶組植物制茶的奧秘

茶樹屬于山茶科屬植物，該屬有100多個(gè)種植物，但只有茶組植物的葉子適合制茶，而非茶組植物，如茶花、油茶和金花茶等的葉片不能作為茶飲。原因在于茶樹和其他茶組植物富含茶多酚、茶氨酸和咖啡因等。除此之外，茶樹近期(3000萬年～4000萬年前)曾經(jīng)發(fā)生過一次全基因復(fù)制事件，加上大量的特異基因家族的擴(kuò)增，導(dǎo)致茶樹基因組里與茶葉的香氣、風(fēng)味與品質(zhì)密切相關(guān)的基因顯著擴(kuò)增，擴(kuò)增的結(jié)果不僅促進(jìn)茶樹適應(yīng)全球多樣化環(huán)境，還通過優(yōu)勝劣汰的自然選擇促進(jìn)了茶樹抗病基因家族的增長，使其成為世界性飲料植物。

二、中國種茶樹基因組為何難以破譯

世界主要栽培的茶樹分屬兩個(gè)變種：中國種（CSS）和阿薩姆種（CSA）。前者葉小，灌木型，抗寒性強(qiáng)，分布廣泛，適合制綠茶等六大茶類；后者葉大，喬木型，抗寒性較弱，主要分布在熱帶和冬季溫暖的亞熱帶地區(qū)，適合制紅茶和普洱茶。中國擁有3000多年的飲茶歷史，是世界上最大的茶葉種植國。來自國際茶樹委員會(huì)的數(shù)據(jù)顯示，2016年，全球茶葉產(chǎn)量546.3萬噸，其中中國產(chǎn)茶量235萬噸。然而，在世界三大飲料植物中，咖啡和可可的基因組相繼被歐美國家完成了測序，世界栽培最廣的中國種茶樹基因組卻遲遲未被破譯。

茶樹是一種自交不親和的異交植物，種間頻繁雜交導(dǎo)致基因組雜合度高（2.8%）。在過去5000萬年以來，茶樹基因組中長末端重復(fù)序列反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子家族經(jīng)歷了多次特別是近期的大量爆發(fā)，它們長期而緩慢地?cái)U(kuò)增，卻又缺少有效的DNA刪除機(jī)制，導(dǎo)致茶樹基因組變得十分龐大（約3.0G）且重復(fù)序列含量極高，致使獲得高質(zhì)量參考基因組難度極大。

三、《PNAS》茶樹基因組研究思路

安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶樹生物學(xué)與資源利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宛曉春教授研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合深圳華大基因和中國科學(xué)院國家基因研究中心（上海）等相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)，解密了中國種茶樹的全基因組信息，研究成果在線發(fā)表于《PNAS》上。

中國種茶樹基因組組裝。研究團(tuán)隊(duì)以國家級茶樹品種舒茶早（中國種）為材料，整合二代Illumina Hiseq2000和三代PacBio兩大測序平臺(tái)的優(yōu)勢，采用雜合組裝策略，獲得了高質(zhì)量的茶樹全基因組信息。分析發(fā)現(xiàn)，中國種基因組大小為3.1G，重復(fù)序列含量為64%；組裝的contig、scaffold N50 長度分別為 67.07kb、1.39Mb，注釋得到33932個(gè)高可信度的蛋白編碼基因 (見圖1A)。通過BAC文庫測序數(shù)據(jù)、其他的DNA序列和ESTs序列對組裝的準(zhǔn)確度及完整性進(jìn)行評估，同時(shí)與已報(bào)道的大葉種（阿薩姆種）基因組進(jìn)行了比較分析。BACs評估發(fā)現(xiàn)中國種茶樹基因組覆蓋度達(dá)到了98.3%，而阿薩姆種茶樹只有84.6%。同時(shí)BUSCO保守核心真核基因評估結(jié)果顯示中國種茶樹僅缺失6個(gè)保守基因（占2%），而阿薩姆種茶樹缺失16個(gè)保守基因（占5.2%）。來源于GeneBank的茶樹EST序列評估結(jié)果顯示，中國種茶樹覆蓋度為93%，而阿薩姆種茶樹為89%。

圖1 中國種茶樹基因組圖譜

中國種茶樹基因組進(jìn)化研究。研究發(fā)現(xiàn)茶樹原始祖先種與獼猴桃的物種分化時(shí)間大約發(fā)生在8000萬年前，阿薩姆種茶樹和中國種茶樹在38萬年～154萬年前由共同祖先發(fā)生進(jìn)化分歧。兩者間DNA、蛋白直系同源基因的平均序列相似性分別為92.4%、93.9%(見圖1B)。開花植物在進(jìn)化歷史中往往會(huì)存在全基因復(fù)制事件，并且這些基因與農(nóng)藝或植物特異性性狀相關(guān)?；蚬簿€性分析發(fā)現(xiàn)茶在歷史進(jìn)程中發(fā)生了兩次全基因復(fù)制事件，分別發(fā)生在9000萬年～1億年前和3000萬年～4000萬年前。

圖2 茶樹及6種近緣植物SCPL1A基因家族進(jìn)化

四、揭示茶葉富含風(fēng)味物質(zhì)之謎

兒茶素類物質(zhì)是形成茶葉風(fēng)味的主要特征性次生代謝物。茶樹中之所以富含該類物質(zhì)，與其關(guān)鍵合成酶基因擴(kuò)增有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，近期的全基因組復(fù)制事件及后續(xù)串聯(lián)復(fù)制導(dǎo)致了大多數(shù)次生代謝相關(guān)基因拷貝數(shù)顯著擴(kuò)增。值得關(guān)注的是，涉及包括兒茶素在內(nèi)的小分子次生代謝產(chǎn)物酰基化反應(yīng)的酰基轉(zhuǎn)移酶（SCPL）基因發(fā)生大量擴(kuò)增，其中的18%是由近期全基因組復(fù)制事件產(chǎn)生的，而68%則是通過近期串聯(lián)重復(fù)產(chǎn)生(見圖2)。兒茶素的生物合成受到復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，許多與生物逆境和非生物逆境相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子都與兒茶素含量高度相關(guān)(見圖3)。

圖3 茶樹兒茶素生物合成通路關(guān)鍵酶基因表達(dá)與進(jìn)化

圖4 茶樹茶氨酸代謝通路關(guān)鍵酶基因進(jìn)化與功能驗(yàn)證

咖啡堿是茶葉中主要苦味物質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)茶樹中咖啡堿合成途徑在進(jìn)化上獨(dú)立于可可和咖啡，合成咖啡堿的關(guān)鍵酶基因拷貝數(shù)擴(kuò)增也是通過茶樹近期全基因組復(fù)制事件和后續(xù)的串聯(lián)復(fù)制產(chǎn)生的。

茶氨酸是決定綠茶鮮爽味的主要物質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了一個(gè)參與茶氨酸合成的關(guān)鍵酶基因（CsTSI），通過表達(dá)模式分析、乙銨誘導(dǎo)處理、轉(zhuǎn)基因分析都證明CsTSI具有合成茶氨酸的酶活性(見圖4)。

通過與其他10種代表性的植物基因組比較發(fā)現(xiàn)，與茶葉風(fēng)味相關(guān)的萜烯類等物質(zhì)的合成酶基因在茶樹基因組中也有顯著擴(kuò)增。

五、中國種茶樹全基因組密碼破譯的意義

基礎(chǔ)研究。高質(zhì)量基因組圖譜的成功繪制揭示了決定茶葉適制性和風(fēng)味物質(zhì)形成的基因信息，將進(jìn)一步推動(dòng)茶組植物基因組進(jìn)化、茶樹起源和遺傳多樣性、茶葉特征性次生代謝物形成機(jī)理等重大基礎(chǔ)生物學(xué)問題的研究。

科學(xué)育種。中國種茶樹全基因組的破譯，將大大加速茶樹功能基因組學(xué)研究和優(yōu)異新基因及分子標(biāo)記發(fā)掘，加快提高茶葉品質(zhì)和適應(yīng)性的茶樹新品種培育，使茶樹品種按生產(chǎn)和市場的需求方向培育成為可能。

品種保護(hù)。基于茶樹基因組信息，可以開發(fā)用于茶樹品種鑒定與保護(hù)的分子指紋，進(jìn)而為保護(hù)品種選育人和消費(fèi)者合法權(quán)益提供技術(shù)支持。

文化傳播。中國種茶樹基因組圖譜的完成，將因其獨(dú)特的科技與文化魅力促進(jìn)中國文化的傳播，通過多樣化的風(fēng)味，在全球滿足和吸引更多的茶飲者，將中國茶和茶文化弘揚(yáng)光大。