茶樹(shù)基因組與測(cè)序技術(shù)的研究進(jìn)展

王鵬杰，楊江帆，張興坦，葉乃興

茶樹(shù)基因組與測(cè)序技術(shù)的研究進(jìn)展

王鵬杰1,2，楊江帆1，張興坦1,2*，葉乃興1*

1．福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院，茶學(xué)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所，廣東 深圳 518120

茶樹(shù)具有高度雜合、基因組龐大及高度重復(fù)等特點(diǎn)，這導(dǎo)致茶樹(shù)基因組的前期研究進(jìn)展緩慢。基因組測(cè)序技術(shù)的迅速發(fā)展有力推動(dòng)茶樹(shù)基因組的解析與完善。綜述了基因組測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，將近年來(lái)茶樹(shù)基因組的組裝與研究進(jìn)展按照草圖水平、染色體水平和單體型水平進(jìn)行分類(lèi)，探討茶樹(shù)基因組未來(lái)的應(yīng)用與發(fā)展方向，為茶樹(shù)功能基因組學(xué)研究和精確分子育種提供參考。

茶樹(shù)；測(cè)序技術(shù)；基因組；染色體水平；單體型

茶樹(shù)[(L.) O. Kuntze]是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，我國(guó)是世界上最早栽培茶樹(shù)和利用茶葉的國(guó)家[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，茶樹(shù)已在60多個(gè)國(guó)家和地區(qū)進(jìn)行商業(yè)種植，每年采摘的茶葉超過(guò)500萬(wàn)t[2]。目前，全球范圍內(nèi)的消費(fèi)者每天飲茶超過(guò)20億杯，這些茶產(chǎn)品主要是通過(guò)茶樹(shù)芽葉加工而成的，并富含特征性的次級(jí)代謝物，包括兒茶素、茶氨酸、咖啡堿和多種揮發(fā)性化合物，有益于人們身體健康[3]。2019年聯(lián)合國(guó)大會(huì)（General Assembly of the United Nations，UNGA）將每年的5月21日指定為“國(guó)際茶日”，表彰茶在國(guó)際社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與文化發(fā)展中的重要價(jià)值，尤其是其在發(fā)展中國(guó)家農(nóng)村減貧和發(fā)展中的寶貴作用。然而，與茶在全球經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)中的巨大貢獻(xiàn)相比，茶樹(shù)的基礎(chǔ)生物學(xué)研究和育種效率仍較為落后[4]，迫切需要高質(zhì)量的茶樹(shù)基因組以促進(jìn)茶樹(shù)的基礎(chǔ)生物學(xué)研究和分子育種。而由于茶樹(shù)龐大的3?Gb大小基因組、超過(guò)70%的重復(fù)序列含量以及自交不親和導(dǎo)致的高度雜合特性[5-11]，對(duì)茶樹(shù)基因組的測(cè)序和組裝是巨大挑戰(zhàn)。隨著基因組測(cè)序技術(shù)的迅速發(fā)展，2017年中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)布了基于二代測(cè)序獲得的大葉種云抗10號(hào)茶樹(shù)基因組[5]，茶學(xué)研究人員開(kāi)始在茶樹(shù)全基因組范圍內(nèi)進(jìn)行深入的基礎(chǔ)科學(xué)研究。本文主要綜述了基因組測(cè)序技術(shù)及茶樹(shù)基因組學(xué)的研究進(jìn)展，探討茶樹(shù)基因組未來(lái)的應(yīng)用與發(fā)展方向，以期為茶樹(shù)功能基因組學(xué)和精確分子育種提供參考。

1 基因組測(cè)序技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 一代測(cè)序技術(shù)

DNA測(cè)序技術(shù)在過(guò)去四十多年以來(lái)經(jīng)歷了三代革新，極大地推動(dòng)基因組學(xué)的研究進(jìn)展，為動(dòng)植物的基礎(chǔ)生命科學(xué)研究奠定了雄厚基礎(chǔ)。第一代測(cè)序技術(shù)始于Sanger等[12]1977年開(kāi)創(chuàng)的雙脫氧鏈末端終止法，該方法將附有放射性同位素標(biāo)記的ddNTP分別混入4個(gè)DNA合成反應(yīng)過(guò)程中，以電泳條帶的位置確定DNA序列?；赟anger測(cè)序法，ABI公司生產(chǎn)了第一代3730XL測(cè)序儀器，其有效讀長(zhǎng)可以達(dá)到1?kb，且每個(gè)堿基的準(zhǔn)確程度達(dá)到99.999%。依靠著一代測(cè)序技術(shù)的精確性，模式植物擬南芥（）的基因組于2000年被解析[13]，成功開(kāi)啟了植物基因組學(xué)研究的新紀(jì)元。2001年在[14]和[15]雜志發(fā)表的人類(lèi)基因組研究成果就是在Sanger測(cè)序基礎(chǔ)上改進(jìn)完成的，該成果成為人類(lèi)生命科學(xué)研究的重要豐碑。此后，陸續(xù)有不少植物通過(guò)一代測(cè)序被解析，包括水稻（）[16]、楊樹(shù)（）[17]、葡萄（）[18]、番木瓜（）[19]、高粱（）[20]、玉米（）[21]等重要植物。雖然一代測(cè)序技術(shù)獲得的序列準(zhǔn)確程度極高，但是成本昂貴、低通量、耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)制約其進(jìn)一步發(fā)展，在目前的大規(guī)模測(cè)序中只能成為輔助手段。

1.2 二代測(cè)序技術(shù)

由于功能基因組學(xué)時(shí)代的到來(lái)和測(cè)序技術(shù)的巨大進(jìn)步，454焦磷酸測(cè)序[22]、Solexa測(cè)序及SOLiD測(cè)序等新一代技術(shù)興起，并統(tǒng)稱(chēng)為二代測(cè)序技術(shù)[23]。二代測(cè)序技術(shù)依靠著低成本、高通量、少耗時(shí)等優(yōu)勢(shì)逐漸取代第一代測(cè)序技術(shù)成為大規(guī)模動(dòng)植物基因組測(cè)序的主要技術(shù)。盡管二代測(cè)序技術(shù)的準(zhǔn)確性不如一代測(cè)序，且獲得reads的讀長(zhǎng)較短，但通過(guò)提高測(cè)序深度，可以很好的彌補(bǔ)這些缺陷。當(dāng)前，美國(guó)Illumina公司的Solexa技術(shù)占據(jù)了市場(chǎng)主要份額，其開(kāi)發(fā)的Illumina平臺(tái)特點(diǎn)為邊合成邊測(cè)序，在DNA合成反應(yīng)體系中添加接頭引物、DNA聚合酶及擁有堿基特異性熒光的dNTP，不同的堿基特異熒光可以區(qū)分堿基信號(hào)，并根據(jù)熒光顏色判斷堿基組成類(lèi)型。此外，通過(guò)橋式PCR技術(shù)，可對(duì)Illumina文庫(kù)進(jìn)行雙端測(cè)序。目前公布的大部分植物基因組均是基于Illumina測(cè)序平臺(tái)完成的，包括黃瓜（）[24]、可可樹(shù)（）[25]、白菜（）[26]、木豆（）[27]、甜橙（）[28]、西瓜（）[29]等。然而，由于讀長(zhǎng)短的劣勢(shì)，二代測(cè)序不能較好的組裝那些高重復(fù)性、高雜合性及高度結(jié)構(gòu)變異的動(dòng)植物基因組。

1.3 三代測(cè)序技術(shù)

近年來(lái)，隨著測(cè)序技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，被稱(chēng)為單分子實(shí)時(shí)測(cè)序技術(shù)的三代測(cè)序技術(shù)，在動(dòng)植物測(cè)序中大量使用。該測(cè)序技術(shù)不需要擴(kuò)增文庫(kù)，直接對(duì)每一個(gè)單DNA分子進(jìn)行測(cè)序。三代測(cè)序相比于二代測(cè)序最典型的特征為超長(zhǎng)讀長(zhǎng)，且耗時(shí)更短。然而，其隨機(jī)錯(cuò)誤率較高，準(zhǔn)確性不如二代和一代測(cè)序技術(shù)[30-31]。目前，三代測(cè)序以Pacific Biosciences公司的PacBio SMRT測(cè)序技術(shù)和Oxford Nanopore公司的納米孔測(cè)序技術(shù)為主。其中，PacBio SMRT測(cè)序技術(shù)同樣以邊測(cè)序邊合成為原理，DNA分子在測(cè)序過(guò)程中進(jìn)入10～50?nm的納米孔，然后成為模板在DNA聚合酶的幫助下進(jìn)行復(fù)制；帶有4種堿基特異熒光的標(biāo)記基團(tuán)在與模板配對(duì)過(guò)程中可顯示特異熒光，最后通過(guò)分析熒光波長(zhǎng)和峰值判斷堿基類(lèi)型。PacBio SMRT測(cè)序技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)隨機(jī)錯(cuò)誤率高，限制了該技術(shù)的應(yīng)用。而在2019年最新發(fā)布的PacBio Sequl技術(shù)，通過(guò)循環(huán)一致性測(cè)序（Circular consensus sequencing，CCS）模式可產(chǎn)生99.8%的高精確、高保真數(shù)據(jù)，且平均讀長(zhǎng)可達(dá)到13.5?kb[32]。納米孔測(cè)序技術(shù)的測(cè)序原理則是基于單DNA分子穿過(guò)生物納米孔時(shí)由于堿基類(lèi)型差異引起電流強(qiáng)度變化，以此判斷堿基組成類(lèi)型。最近3年的植物基因組測(cè)序大多選擇了三代測(cè)序技術(shù)[33-35]，包括最近發(fā)表的多個(gè)茶樹(shù)染色體級(jí)別參考基因組[7-10]。由于三代測(cè)序技術(shù)超長(zhǎng)的reads，使其在超大、高重復(fù)、高雜合的基因組測(cè)序與組裝層面上具有顯著優(yōu)勢(shì)，隨著價(jià)格的不斷下降，將在后續(xù)動(dòng)植物基因組組裝中大量運(yùn)用。

1.4 輔助組裝技術(shù)

無(wú)論是幾代基因組測(cè)序技術(shù)，最后獲得的reads都需要進(jìn)行組裝。而之前的植物基因組組裝大都只能組裝至contigs和scaffolds層次，或通過(guò)對(duì)子代群體測(cè)序構(gòu)建遺傳圖譜以進(jìn)一步將contigs或scaffolds掛載到接近染色體級(jí)別的基因組。但是由于技術(shù)的限制，其遺傳圖譜的標(biāo)記一般很難滿足長(zhǎng)度較短的contigs或scaffolds的掛載需求，導(dǎo)致掛載率和準(zhǔn)確性較低。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新一代基因組輔助組裝技術(shù)很好地解決了這些問(wèn)題，其中應(yīng)用最廣的當(dāng)屬高通量染色體構(gòu)象捕獲（High-through chromosome conformation capture，Hi-C）技術(shù)[36]。Hi-C技術(shù)通過(guò)高通量測(cè)序在較短時(shí)間內(nèi)獲得大量染色質(zhì)DNA在空間上的互作關(guān)系。該技術(shù)輔助基因組組裝的原理是界定不同染色體間存在一定的“疆域”，而單條染色體內(nèi)的互作頻率應(yīng)大于不同染色體間的互作頻率，且染色體內(nèi)近端的互作頻率也應(yīng)大于遠(yuǎn)端的，由此可初步將獲得的原始基因組裝配分配到不同染色體上。此外，還有BioNano光學(xué)圖譜技術(shù)，其原理主要是通過(guò)添加多個(gè)基因組標(biāo)記位點(diǎn)，將DNA分子在納米孔上線性展開(kāi)，并通過(guò)熒光成像掃描位點(diǎn)轉(zhuǎn)化成基因組物理圖譜信息以改善基因組質(zhì)量[37-38]。相比于BioNano光學(xué)圖譜技術(shù)，Hi-C技術(shù)在植物基因組輔助組裝上應(yīng)用更為廣泛，不僅節(jié)約成本與時(shí)間，且掛載率和準(zhǔn)確性極高。此外，由于部分植物的雜合度極高，其測(cè)定的基因組信息折疊了大量的遺傳變異信息，而基于Hi-C數(shù)據(jù)的多種算法程序可較好地構(gòu)建二倍體或多倍體植物的單體型基因組，例如FALCON-Phase[39]和ALLHiC等[40]。FALCON-Phase可通過(guò)整合二倍體植物三代測(cè)序和Hi-C數(shù)據(jù)，將初級(jí)裝配構(gòu)建為高質(zhì)量的單體型基因組裝配體。ALLHiC通過(guò)“修剪”步驟，刪除等位基因之間的鏈接，即單體型之間的鏈接，不僅可以構(gòu)建高度雜合的二倍體植物的單體型基因組，也適用于多倍體基因組的單體型定相，并且已成功應(yīng)用于幾種植物的基因組組裝中，包括同源四倍體[33]和同源八倍體[41]的甘蔗基因組、同源四倍體的紫花苜?；蚪M[35]和榕樹(shù)基因組[34]。

2 茶樹(shù)基因組研究進(jìn)展

茶樹(shù)高質(zhì)量基因組有助于茶樹(shù)的起源馴化與生理特性研究，能加速理想性狀茶樹(shù)種質(zhì)的分子育種。如圖1所示，自2017年至今，已正式發(fā)表了多篇茶樹(shù)基因組相關(guān)的高水平論文[3,5-10]，其中持續(xù)提高的茶樹(shù)基因組質(zhì)量、不斷深入的茶樹(shù)生物學(xué)問(wèn)題，均有力地促進(jìn)了科研工作者對(duì)茶樹(shù)基礎(chǔ)理論研究的整體認(rèn)識(shí)。正如自21世紀(jì)元年宏偉的人類(lèi)基因組初次公布至今，基因組帶給人類(lèi)對(duì)生命奧秘的認(rèn)識(shí)已經(jīng)大大超出了預(yù)期。

2.1 草圖水平的茶樹(shù)基因組

2017年，中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所的研究團(tuán)隊(duì)基于二代測(cè)序技術(shù)率先公布了大葉種茶樹(shù)云抗10號(hào)的基因組序列[5]，拉開(kāi)了茶樹(shù)基因組學(xué)研究的帷幕。云抗10號(hào)的基因組大小為3.02?Gb，含有36?951個(gè)注釋編碼蛋白，其中contig N50為19.96?kb，scaffold N50為0.45?Mb。該研究首次觀察到茶樹(shù)中的重復(fù)序列含量在基因組中占極高比例，幾乎達(dá)到80.9%，并認(rèn)為這可能是由于茶樹(shù)在長(zhǎng)達(dá)5?000萬(wàn)年的時(shí)間維度內(nèi)長(zhǎng)末端重復(fù)序列反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子家族大量爆發(fā)擴(kuò)張，而缺少相應(yīng)的DNA刪除機(jī)制，使得茶樹(shù)基因組龐大且重復(fù)序列含量極高。此外，還發(fā)現(xiàn)云抗10號(hào)部分與茶葉風(fēng)味品質(zhì)相關(guān)的基因家族發(fā)生擴(kuò)張，例如類(lèi)黃酮、萜類(lèi)等化合物合成相關(guān)基因。該研究觀察到茶樹(shù)的咖啡堿合成途徑相比于可可和咖啡，存在獨(dú)立且迅速的馴化過(guò)程。這些結(jié)果可能影響茶樹(shù)的環(huán)境適應(yīng)性和制茶品質(zhì)。2018年，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)的茶學(xué)團(tuán)隊(duì)基于二代Illumina測(cè)序?yàn)橹鳌⑷鶳acBio測(cè)序補(bǔ)洞的方法測(cè)序獲得了茶樹(shù)小葉種品種舒茶早的基因組序列[6]。該基因組基于scaffold水平的大小為3.14?Gb，具有33?932個(gè)注釋編碼蛋白，其中contig N50為67.07?kb，scaffold N50為1.39?Mb，重復(fù)序列的基因組占比為64%，組裝質(zhì)量較云抗10號(hào)基因組有較大提升。該研究發(fā)現(xiàn)，茶樹(shù)的祖先種與獼猴桃的物種分化時(shí)間可能在8?000萬(wàn)年前。進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)大葉種和小葉種可能是在38至154萬(wàn)年前從其原始祖先種中分化而來(lái)，兩者具有極高的共線性。在舒茶早基因組中觀察到兩次全基因組復(fù)制事件，其中近期的一次復(fù)制事件影響了大量次生代謝相關(guān)基因的擴(kuò)張，尤其是與兒茶素合成相關(guān)的基因，這可能可以解釋栽培茶樹(shù)兒茶素組分的高含量。該研究還挖掘了影響茶氨酸合成的關(guān)鍵酶基因并驗(yàn)證功能。此外，通過(guò)比較基因組學(xué)發(fā)現(xiàn)，在茶葉香氣組成中占重要位置的萜烯類(lèi)化合物，其合成酶基因也經(jīng)歷顯著擴(kuò)增。后續(xù)該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步改善舒茶早基因組的注釋質(zhì)量[42]，并整合茶樹(shù)基因組、轉(zhuǎn)錄組、代謝組等數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)TPIA數(shù)據(jù)庫(kù)（http://tpia.teaplant.org/index.html）[43]，有力推進(jìn)了茶樹(shù)的基礎(chǔ)研究與數(shù)據(jù)共享。

圖1 茶樹(shù)基因組研究進(jìn)展時(shí)間線

2.2 染色體水平的茶樹(shù)基因組

隨著三代測(cè)序和Hi-C技術(shù)的成熟和價(jià)格的下降，2020年度茶學(xué)領(lǐng)域涌現(xiàn)了多個(gè)組裝到染色體水平的高質(zhì)量茶樹(shù)基因組。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所的種質(zhì)資源團(tuán)隊(duì)采用Hi-C技術(shù)將之前公布的舒茶早基因組組裝至染色體水平[3]，scaffold N50達(dá)到218.1?Mb。該研究重點(diǎn)分析了茶樹(shù)的全基因組復(fù)制情況，發(fā)現(xiàn)茶樹(shù)在1.466～1.527億年前及5.89～6.17千萬(wàn)年前分別經(jīng)歷了一次古六倍體事件和古四倍體事件。QTL數(shù)據(jù)的染色體定位發(fā)現(xiàn)部分兒茶素相關(guān)QTL在古四倍體化事件后發(fā)生分化。

安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)的茶學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在之前組裝的舒茶早草圖基因組基礎(chǔ)上，通過(guò)PacBio SMRT和Hi-C技術(shù)構(gòu)建了染色體級(jí)別的茶樹(shù)基因組[10]，該基因組基于contig水平的大小為2.94?Gb，具有50?525個(gè)注釋編碼蛋白，其中contig N50為600.46?kb，scaffold N50為167?Mb，顯著提升了茶樹(shù)基因組的組裝質(zhì)量。該研究發(fā)現(xiàn)了2.55?Gb的重復(fù)序列，達(dá)到整個(gè)基因組的86.87%。首次系統(tǒng)鑒定了茶樹(shù)基因組的雜合區(qū)域，該區(qū)域占整個(gè)基因組的18.8%，包含3?440個(gè)基因，參與多個(gè)生物學(xué)過(guò)程。研究還揭示了萜類(lèi)合成酶基因家族在茶樹(shù)染色體上以基因簇形式分布并在近期發(fā)生串聯(lián)重復(fù)事件。最重要的是，通過(guò)81份國(guó)內(nèi)外茶樹(shù)種質(zhì)的重測(cè)序，發(fā)現(xiàn)了栽培種和野生種茶樹(shù)的基因變異與馴化足跡，開(kāi)啟了茶樹(shù)起源與馴化研究的新階段。與此同時(shí)，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)也公布了小葉種碧云的染色體級(jí)別基因組序列[7]，該基因組基于scaffold水平的大小為2.92?Gb，共有40?812個(gè)高質(zhì)量注釋基因，其中contig N50為625.11?kb，scaffold N50為195.68?Mb，重復(fù)序列占基因組的74.13%，并著重揭示了LTR逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在茶樹(shù)中的起源、進(jìn)化與變異。此外，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所的研究團(tuán)隊(duì)也公布了優(yōu)質(zhì)綠茶適制品種龍井43的染色體級(jí)別基因組序列[8]，該基因組共3.26?Gb，編碼33?556個(gè)注釋蛋白，contig N50為271.33?kb，scaffold N50為143.85?Mb。作為抗逆性極強(qiáng)的茶樹(shù)品種，龍井43基因組的抗逆相關(guān)基因經(jīng)歷正選擇，抗逆、品質(zhì)、自交不親和等相關(guān)基因經(jīng)歷擴(kuò)張。139份國(guó)內(nèi)外代表種質(zhì)的重測(cè)序表明茶樹(shù)的馴化過(guò)程中，小葉種茶樹(shù)的萜類(lèi)相關(guān)基因與抗病基因受到相對(duì)于大葉種茶樹(shù)更強(qiáng)的人工選擇。

對(duì)古茶樹(shù)的研究有利于揭示茶樹(shù)的起源與馴化。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)也于2020年7月公布了取自云南省野外深山的古茶樹(shù)DASZ基因組序列[9]，該基因組為3.11?Gb，編碼33?021個(gè)注釋蛋白，contig N50為2.59?Mb。通過(guò)對(duì)主要產(chǎn)茶省份217份茶樹(shù)資源的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，發(fā)現(xiàn)古茶樹(shù)與栽培種茶樹(shù)并未有顯著分化，且論證了福鼎大白茶與鐵觀音等品種作為中國(guó)茶樹(shù)骨干親本的重要地位，并通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析鑒定了多個(gè)與兒茶素合成有關(guān)的遺傳位點(diǎn)與相關(guān)基因。

福建農(nóng)林大學(xué)與中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所的研究團(tuán)隊(duì)于2021年5月和7月先后發(fā)表了烏龍茶品種黃棪[44]和鐵觀音[45]的染色體級(jí)別基因組。黃棪茶樹(shù)基因組大小為2.94?Gb，雜合度為2.79%～3.40%，contig N50達(dá)到2.61?Mb，注釋獲得43?779個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因，70.75%的黃棪基因組序列被注釋為重復(fù)序列。研究發(fā)現(xiàn)黃棪與古茶樹(shù)DASZ之間具有最多的結(jié)構(gòu)變異注釋基因，與綠茶品種舒茶早及龍井43之間的結(jié)構(gòu)變異注釋基因與香氣途徑相關(guān)，表明結(jié)構(gòu)變異可能影響黃棪的高香品種特性。結(jié)合結(jié)構(gòu)變異、轉(zhuǎn)錄組和揮發(fā)物測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn)萜類(lèi)合成酶（Terpene synthase，TPS）家族基因的結(jié)構(gòu)變異、廣泛且特異地高表達(dá)是黃棪品種高香特性的分子基礎(chǔ)?；邳S棪的高質(zhì)量基因組，該團(tuán)隊(duì)還探究了茶樹(shù)在低溫脅迫的染色質(zhì)可及性、轉(zhuǎn)錄與翻譯圖譜[46]，有助于闡明茶樹(shù)乃至植物如何靈活地協(xié)調(diào)染色質(zhì)、轉(zhuǎn)錄和翻譯的效應(yīng)以應(yīng)對(duì)低溫脅迫。鐵觀音茶樹(shù)基因組大小為3.06?Gb，contig N50為1.94?Mb，BUSCO完整性達(dá)到93.7%，注釋獲得42?825個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因，并確定了2.39?Gb的重復(fù)序列，占基因組大小的78.2%。重要的是，通過(guò)190份茶樹(shù)種質(zhì)的基因組學(xué)分析揭示了大葉和小葉茶的獨(dú)立進(jìn)化與平行馴化歷史，發(fā)現(xiàn)了廣泛的種內(nèi)和種間滲入，并且揭示茶樹(shù)潛在的“綠色革命”基因和，這有助于現(xiàn)今茶樹(shù)品種的遺傳多樣性和不同樹(shù)型的形成。

2.3 單體型解析的茶樹(shù)基因組

茶樹(shù)和其他植物的二倍體或多倍體基因組往往由兩套或多套染色體組組成。值得注意的是，大多數(shù)植物二倍體參考基因組的組裝結(jié)果混雜了雙親等位基因組的嵌合序列，盡管這樣的組裝便于比較和分析數(shù)據(jù)，但都忽略了可能具有潛在生物學(xué)功能并影響高度雜合基因組質(zhì)量的等位基因變異[40]。單體型解析的基因組組裝是植物基因組學(xué)領(lǐng)域的新趨勢(shì)，有助于植物雜種優(yōu)勢(shì)與進(jìn)化研究，并為準(zhǔn)確、可靠的基因組編輯提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但是具體的分型方法仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)[47]。

茶樹(shù)具有自交不親和特性，導(dǎo)致其基因組高度雜合并存在大量等位基因變異。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)茶樹(shù)品種福鼎大白茶135個(gè)精細(xì)胞進(jìn)行分離與全基因組測(cè)序，基于古茶樹(shù)DASZ的二倍體基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行單體型分型[48]，并系統(tǒng)地分析了被譽(yù)為“華茶1號(hào)”的福鼎大白茶與中國(guó)各省份106份茶樹(shù)資源的親緣關(guān)系，為茶樹(shù)的品種選育以及基因表達(dá)調(diào)控研究提供了新的見(jiàn)解。

二倍體植物兩套單體型基因組的等位基因變異可能在表型調(diào)控、雜種優(yōu)勢(shì)和進(jìn)化中起重要作用。前人的研究支持雜交水稻具有雜種優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵因素是具有高轉(zhuǎn)錄活性和顯性表達(dá)的等位基因[49-50]。通過(guò)結(jié)合三代HiFi數(shù)據(jù)、Hi-C技術(shù)、Hifiasm及ALLHiC程序，福建農(nóng)林大學(xué)與中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組的研究團(tuán)隊(duì)首次公布了高雜合性茶樹(shù)的單體型染色體級(jí)別基因組[44-45]。其中，茶樹(shù)品種黃棪的兩套單體型基因組總共包含30條假染色體，單體型A長(zhǎng)度為2.90?Gb，單體型B為2.97?Gb。兩組單體型基因組間存在大量遺傳變異，包括2?357萬(wàn)個(gè)SNP，114萬(wàn)個(gè)插入和113萬(wàn)個(gè)缺失。59.38%的編碼基因可定義為等位基因，平均相似度為92.60%。茶樹(shù)品種鐵觀音的兩套單體型基因組長(zhǎng)度分別為3.06?Gb和2.92?Gb，其中34.46%的注釋基因可定義為等位基因，并發(fā)現(xiàn)1?528個(gè)表達(dá)模式一致性的和386個(gè)不一致的等位特異性表達(dá)基因。這表明在茶樹(shù)長(zhǎng)期的繁殖培育過(guò)程中，顯性效應(yīng)在克服突變負(fù)荷中起著重要作用。

3 總結(jié)與展望

茶樹(shù)基因組學(xué)研究的重大進(jìn)展，有效推動(dòng)了茶樹(shù)功能基因組學(xué)與重要農(nóng)藝性狀基因的相關(guān)研究，也為茶樹(shù)的起源與演化等基礎(chǔ)生物學(xué)問(wèn)題提供借鑒，并深化了人們對(duì)茶的基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)與加工利用。在未來(lái)的茶樹(shù)基因組學(xué)研究與應(yīng)用中，可以關(guān)注以下幾個(gè)方向：

（1）茶樹(shù)具有高度的雜合性，單體型水平的分型基因組更能代表茶樹(shù)的真實(shí)基因信息，后續(xù)的研究可通過(guò)單體型基因組數(shù)據(jù)進(jìn)一步挖掘茶樹(shù)的等位基因差異對(duì)表型和代謝產(chǎn)物的影響。值得關(guān)注的是，由于親本基因組數(shù)據(jù)資源的缺失，茶樹(shù)雜種優(yōu)勢(shì)遺傳機(jī)理的研究一直較為落后。最近公布的鐵觀音和黃棪基因組可以成為茶樹(shù)雜種優(yōu)勢(shì)研究的模式數(shù)據(jù)。鐵觀音和黃棪是烏龍茶育種的核心親本，具有互補(bǔ)的優(yōu)質(zhì)性狀。鐵觀音具有天然“蘭花香”和獨(dú)特“觀音韻”，但存在萌芽期晚、產(chǎn)量較低及制優(yōu)率偏低等不足之處；而黃棪具有高香、萌芽期早、產(chǎn)量較高、制優(yōu)率高等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)家茶樹(shù)品種區(qū)域試驗(yàn)的烏龍茶對(duì)照種。以鐵觀音和黃棪為親本創(chuàng)新衍生了一系列茶樹(shù)優(yōu)良品種[51-53]，包括金觀音（國(guó)審2002017）[54-55]、黃觀音（國(guó)審2002015）[56]、金牡丹（國(guó)品2010024）、紫牡丹（國(guó)品2010026）、黃玫瑰（國(guó)品2010025）、春蘭（國(guó)品2010016）、黃奇（國(guó)審2002018）[57]、瑞香（國(guó)品2010017）[58]、紫玫瑰（閩審2005003）、春閨（閩審2015001）[59]、鳳圓春（閩審99001）、鴻雁1號(hào)（國(guó)品2010022）、鴻雁12號(hào)（國(guó)品2010020）、鴻雁13號(hào)（國(guó)品2014010）等國(guó)家級(jí)或省級(jí)良種，還包括春桃香和金茗早[60]等多個(gè)新品系。因此，鐵觀音和黃棪家系是烏龍茶品種資源中最為重要的組成群體。基于已發(fā)表的鐵觀音和黃棪高質(zhì)量二倍體與單體型基因組，后續(xù)可以定量該后代雜交群體的親本等位基因雜種優(yōu)勢(shì)，挖掘不同雜種優(yōu)勢(shì)代謝物的等位基因調(diào)控，為茶樹(shù)高香優(yōu)質(zhì)雜交品種的選育提供理論依據(jù)。

（2）由于不同茶樹(shù)種質(zhì)之間特有的遺傳性狀，單一品種的基因組已經(jīng)無(wú)法代表茶樹(shù)所有的遺傳信息。通過(guò)重新整合已經(jīng)公布的云抗10號(hào)、舒茶早、龍井43、碧云、古茶樹(shù)DASZ、鐵觀音及黃棪基因組原始數(shù)據(jù)，并且補(bǔ)測(cè)不同茶區(qū)的代表性茶樹(shù)品種基因組數(shù)據(jù)，共同構(gòu)建泛基因組（Pan-genome），將是茶樹(shù)基因組未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。基于代表性茶樹(shù)種質(zhì)的泛基因組可以全面捕捉茶樹(shù)的遺傳信息，為茶樹(shù)功能基因組學(xué)研究和精確分子育種提供寶貴資源。

（3）基于高質(zhì)量的茶樹(shù)基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行更為前沿的組學(xué)分析。例如：三維基因組學(xué)、單細(xì)胞系列組學(xué)、空間組學(xué)等。這些數(shù)據(jù)可以讓我們?cè)谌旧|(zhì)三維結(jié)構(gòu)層面、單細(xì)胞層面和空間層面上挖掘細(xì)致深入的轉(zhuǎn)錄調(diào)控事件，從而全面地解析茶樹(shù)的基礎(chǔ)生物學(xué)問(wèn)題。

（4）栽培茶樹(shù)的起源與馴化一直是眾多研究者關(guān)注的焦點(diǎn)，盡管已經(jīng)有了一些文獻(xiàn)學(xué)、語(yǔ)音學(xué)、考古學(xué)及遺傳學(xué)上的認(rèn)識(shí)，但仍需要更多的證據(jù)去證明茶樹(shù)祖先類(lèi)型、起源地點(diǎn)、時(shí)間以及馴化史等[61]。隨著測(cè)序技術(shù)的飛速發(fā)展，如今二代測(cè)序的每Gb數(shù)據(jù)價(jià)格已經(jīng)降到了50元以內(nèi)[62]。因此，可以通過(guò)整合目前已經(jīng)發(fā)表的多個(gè)茶樹(shù)基因組以及數(shù)百份茶樹(shù)種質(zhì)重測(cè)序數(shù)據(jù)，并且補(bǔ)測(cè)更多的代表性茶樹(shù)種質(zhì)與近緣種質(zhì)資源的重測(cè)序數(shù)據(jù)，包括其他國(guó)家的茶樹(shù)種質(zhì)在內(nèi)，從而在更大樣本的基因組水平上提供茶樹(shù)起源與馴化的遺傳學(xué)證據(jù)。

（5）基于茶樹(shù)全基因組信息與重要農(nóng)藝性狀的全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）是今后重要的研究應(yīng)用方向。盡管目前已經(jīng)通過(guò)簡(jiǎn)化基因組測(cè)序等獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)少數(shù)性狀進(jìn)行了初步定位[63-66]，仍需要通過(guò)結(jié)合覆蓋度更廣的基因組重測(cè)序數(shù)據(jù)與更全面的性狀調(diào)查數(shù)據(jù)，在高精度的茶樹(shù)基因組上進(jìn)行重要農(nóng)藝性狀的關(guān)鍵位點(diǎn)鑒定，為后續(xù)茶樹(shù)遺傳轉(zhuǎn)化體系化時(shí)代的到來(lái)提供分子育種的核心基因資源。

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Research Advance of Tea Plant Genome and Sequencing Technologies

WANG Pengjie1,2, YANG Jiangfan1, ZHANG Xingtan1,2*, YE Naixing1*

1. College of Horticulture, Fujian Agriculture and Forestry University, Key Laboratory of Tea Science at Universities in Fujian, Fuzhou 350002, China; 2. China Agricultural Genome Institute at Shenzhen, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Shenzhen 518120, China

The tea plant has the characteristics of high heterozygosity, large genome and high duplication, which has led to the slow progress of the preliminary research on the tea plant genomes. The rapid development of genome sequencing technologies has strongly promoted the deciphering and improvement of the tea plant genomes. This article reviewed the development of genome sequencing technologies, and classified the assembly and research progress of tea plant genomes in recent years according to the draft level, chromosome level and haplotype level. By discussing the future application and development direction of tea plant genomes, it provided a reference for the functional genomics research and precision molecular breeding in tea plants.

, sequencing technology, genome, chromosome level, haplotype

S571.1；Q52

A

1000-369X(2021)06-743-10

2021-07-27

2021-08-31

福建省“2011協(xié)同創(chuàng)新中心”中國(guó)烏龍茶產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心專(zhuān)項(xiàng)（閩教科〔2015〕75號(hào)）、福建農(nóng)林大學(xué)茶產(chǎn)業(yè)鏈科技創(chuàng)新與服務(wù)體系建設(shè)項(xiàng)目（K1520005A01）

王鵬杰，男，博士，主要從事茶樹(shù)遺傳育種與生物技術(shù)研究。*通信作者：zhangxingtan@caas.cn；ynxtea@126.com

（責(zé)任編輯：趙鋒）