2022年茶樹遺傳育種研究進(jìn)展

李娜娜 王璐 郝心愿 向云攀 王波 蔡瓊梅 丁長慶 曾建明 楊亞軍 王新超

摘要：文章總結(jié)概述了2022 年度茶樹遺傳育種領(lǐng)域取得的主要進(jìn)展。2022 年度，科研工作者在茶樹遺傳育種領(lǐng)域取得了豐碩的成果，基于轉(zhuǎn)錄組、同源和異源轉(zhuǎn)化、分子互作等研究手段，大量與茶樹逆境脅迫抵御、功能物質(zhì)代謝、生長發(fā)育調(diào)控相關(guān)的遺傳分子機(jī)制及關(guān)鍵作用基因獲得解析；茶樹氨基酸含量、發(fā)芽期等性狀相關(guān)的數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL） 被精細(xì)定位，為開發(fā)性狀關(guān)聯(lián)分子標(biāo)記奠定了基礎(chǔ)；62 個(gè)茶樹品種通過非主要農(nóng)作物品種登記，5 個(gè)品種授權(quán)獲得植物新品種權(quán)，為茶產(chǎn)業(yè)高效發(fā)展提供了多樣化的品種保障。

關(guān)鍵詞：茶樹；遺傳育種；分子標(biāo)記；品種

中圖分類號(hào)：S571.1；S330? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1000－3150 （2023） 05-06-6

我國是茶樹的原產(chǎn)國，也是世界上最早發(fā)現(xiàn)和利用茶葉的國家，至今栽培茶樹、制作和飲用茶葉已有數(shù)千年的悠久歷史。在長期種植栽培茶樹的過程中，通過自然變異選擇和人工輔助育種，形成了我國豐富多樣的茶樹種質(zhì)資源，為優(yōu)良茶樹品種選育提供了珍貴的基因文庫。良種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，一個(gè)品種能造就一個(gè)產(chǎn)業(yè)。因此，選育優(yōu)良茶樹品種是推動(dòng)茶產(chǎn)業(yè)多元化、現(xiàn)代化、效益化的根本保障。本文主要對(duì)2022 年度茶樹重要性狀的遺傳調(diào)控機(jī)制、茶樹育種技術(shù)以及茶樹品種登記授權(quán)情況進(jìn)行總結(jié)概述，為今后茶樹遺傳育種研究及新品種選育提供參考。

1 茶樹遺傳學(xué)研究進(jìn)展

1.1 茶樹重要性狀的調(diào)控機(jī)制解析及關(guān)鍵基因挖掘

2022 年，通過轉(zhuǎn)錄組、同源和異源轉(zhuǎn)化、分子互作等研究方式，大量與茶樹抗逆、物質(zhì)代謝、生長發(fā)育相關(guān)的遺傳調(diào)控機(jī)制及關(guān)鍵作用基因獲得解析，為培育優(yōu)良茶樹新品種提供了豐富的基因資源。

抗逆是茶樹重要的育種目標(biāo)性狀。Liu 等[1]發(fā)現(xiàn)miR319a 靶向抑制轉(zhuǎn)錄因子CsTCP10 基因表達(dá)而減弱茶樹對(duì)輪斑病的防御抵制。Peng 等[2]研究發(fā)現(xiàn)CsWRKY4 和CsOCP3 與CsICE1 相互作用，調(diào)控CsCBF1/3 基因表達(dá)，從而介導(dǎo)茶樹的多種逆境脅迫響應(yīng)。Zhao 等[3]通過基因沉默和過表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)，茶樹CsWRKY29 和CsWRKY37 轉(zhuǎn)錄因子具有提高植物抗寒性的功能作用。Zhang 等[4]發(fā)現(xiàn)茶樹CsNAC28 作為ABA響應(yīng)元件結(jié)合因子CsABF2 下游的轉(zhuǎn)錄因子基因而正向介導(dǎo)植物的耐旱性。Zhang 等[5] 發(fā)現(xiàn)茶樹CsCBF5 通過調(diào)控下游Cs-COR47、CsCOR413、CsERD4 和CsRD29B 基因的表達(dá)而正向改善茶樹的耐寒性。蟲害誘導(dǎo)的植物揮發(fā)物既能幫助茶樹應(yīng)對(duì)生物脅迫，同時(shí)也是茶葉風(fēng)味品質(zhì)的構(gòu)成成分。研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子Cs-MYC2-組蛋白去乙酰酶CsHDA2 模塊參與調(diào)控茶樹遭受小綠葉蟬侵染過程中橙花叔醇的形成，Cs-MYC2-CsHDA6 模塊參與調(diào)節(jié)茶樹抗蟲代謝物α-法尼烯的生成[6-7]。

茶樹咖啡堿、苦茶堿、氨基酸、兒茶素等物質(zhì)的代謝調(diào)控機(jī)制取得較大進(jìn)展。Ma 等[8]發(fā)現(xiàn)茶樹NAC-like 轉(zhuǎn)錄因子基因CsNAC7 通過正向調(diào)控咖啡堿合成酶基因yhNMT1 而促進(jìn)咖啡堿的積累。此外，Li 等[9]發(fā)現(xiàn)CsMYB184 是茶樹中咖啡堿合成酶基因TCS1 表達(dá)和咖啡堿合成的主要激活因子。通過構(gòu)建人工雜交群體、混合分組轉(zhuǎn)錄組測序、分子標(biāo)記定位和基因表達(dá)分析表明，新的苦茶堿合成酶TcS 等位基因是決定茶樹高苦茶堿性狀的關(guān)鍵候選基因[10]。She 等[11]證明茶樹茶氨酸合成酶是由谷氨酰胺合成酶基因CsTSI 所編碼。Zhu 等[12]發(fā)現(xiàn)茶樹茉莉酸信號(hào)途徑關(guān)鍵調(diào)控因子CsJAZ1 通過轉(zhuǎn)錄本的可變剪切而負(fù)向調(diào)控黃烷-3-醇的合成。Luo 等[13]研究發(fā)現(xiàn)WRKY轉(zhuǎn)錄因子CsWRKY57like可特異性地結(jié)合甲基化EGCG 生物合成相關(guān)基因CsLAR、CsDFR 和CCoAOMT 啟動(dòng)子區(qū)域的Wbox元件并激活它們的活性，進(jìn)而正向調(diào)控茶葉中甲基化EGCG 的累積。Lü 等[14]發(fā)現(xiàn)CsERF1B-like轉(zhuǎn)錄因子可以結(jié)合到類黃酮3'-羥化酶基因CsF3'H的啟動(dòng)子并激活其活性，研究確定了CsERF1Blike是參與糖代謝和類黃酮合成的潛在關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。Wang 等[15]建立了茶樹葉片原生質(zhì)體的快速分離體系，并對(duì)16 977 個(gè)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行研究，構(gòu)建了首個(gè)木本植物葉片的單細(xì)胞圖譜，繪制了茶樹葉片發(fā)育軌跡，并發(fā)現(xiàn)了1 個(gè)新型的酯型兒茶素糖基轉(zhuǎn)移酶UGT72B23，獲得了酯型兒茶素糖苷化的證據(jù)。

葉片失綠茶樹品種的黃化、白化表型與葉綠體發(fā)育異常、葉綠素合成受阻有關(guān)。Cai 等[16]研究發(fā)現(xiàn)強(qiáng)光照誘導(dǎo)葉綠體光合系統(tǒng)II 亞基CP43、CP47、PsbP、PsbR 以及光捕獲葉綠素結(jié)合蛋白Lhca、Lhcb 的降解而引起黃金芽白化表型形成。基于廣靶代謝組和轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)，Mei 等[17]研究發(fā)現(xiàn)葉綠素合成相關(guān)基因HEME、GUN5、CAO 的低表達(dá)以及葉綠素降解相關(guān)基因CLH 的高表達(dá)是導(dǎo)致黃化茶樹品種黃玉葉綠素缺乏的原因。通常，葉綠素缺乏茶樹品種具備氨基酸含量高的品質(zhì)特性。Xu等[18]通過轉(zhuǎn)錄組和相關(guān)性分析表明CsGS1、CsPDX2、CsGGP5、CsHEMA3 和CsCLH4 可能是導(dǎo)致綠色和黃化茶樹品種中茶氨酸差異富集的關(guān)鍵調(diào)控基因。Chen 等[19]研究發(fā)現(xiàn)茶樹血紅素加氧酶基因CsHO1 的低表達(dá)是引起黃化茶樹品種高茶氨酸積累的潛在原因。紫化茶樹品種的表型與葉片花青素的含量緊密相關(guān)。Cai等[20]通過代謝組和轉(zhuǎn)錄組關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，CsMYB90、CsF3'Hs、CsANSs和CsPPOs 基因的差異表達(dá)是引起紫魁茶樹品種花青素富集的主要原因。Huang 等[21]發(fā)現(xiàn)茶樹R2R3-MYB類轉(zhuǎn)錄因子CsAN1 基因的特異性高表達(dá)賦予了紫娟及其雜交后代花青素高積累的紫葉表型。

茶樹新梢分枝、茸毛發(fā)育、開花性狀的遺傳機(jī)理也獲得了解析。Zhang 等[22]研究表明，腺苷酸異戊烯轉(zhuǎn)移酶基因CsA- IPT5 的3′ UTR AS1 和3′UTR AS2 可變剪切體參與調(diào)控茶樹的新梢分枝?；诟哔|(zhì)量的RNA-seq數(shù)據(jù)，Chen等[23]分析發(fā)現(xiàn)，茶樹茸毛的生長與植物抗性基因PRGs、細(xì)胞壁生物合成基因、細(xì)胞周期途徑基因以及細(xì)胞骨架生物合成基因的差異表達(dá)有關(guān)。此外，Li 等[24]發(fā)現(xiàn)Cs-MYB1 與CsGL3、CsWD40 相互作用，形成MYBbHLH-WD40 轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，進(jìn)而激活茸毛發(fā)育調(diào)節(jié)基因CsGL2 和CsCPC。Xu 等[25]基于轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，MYC、FT、SOC1 和LFY 在內(nèi)源激素信號(hào)調(diào)控茶樹花器官發(fā)育過程中起到關(guān)鍵性作用。

1.2 茶樹重要性狀的QTL定位與基因組測序分析

2022 年，多個(gè)與茶樹品質(zhì)、生長發(fā)育等性狀相關(guān)的數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL） 被精細(xì)定位。Huang等[26]通過GBS簡化基因組測序和龍井43×白雞冠F1代遺傳群體，構(gòu)建了1 846.32 cM、包含15 個(gè)連鎖群、2 688 個(gè)標(biāo)記、平均圖距0.69 cM的高密度遺傳連鎖圖譜，同時(shí)鑒定到1 個(gè)PVE大于20%的茶氨酸QTL位點(diǎn)。Tan 等[27]以特早生茶樹品種峨眉問春為母本，收集其自然授粉后代為材料，利用簡化基因組測序技術(shù)和父子關(guān)系重建策略，構(gòu)建了茶樹F1全同胞群體和高密度遺傳圖譜，該遺傳圖譜共包含4 244 個(gè)標(biāo)記，平均遺傳距離為0.34 cM，并基于遺傳圖譜，定位到5 個(gè)調(diào)控茶樹發(fā)芽期的QTL 位點(diǎn)，篩選到22 個(gè)關(guān)鍵候選基因。這些QTL位點(diǎn)的鑒定獲得，為開發(fā)性狀關(guān)聯(lián)分子標(biāo)記奠定了基礎(chǔ)。

隨著大葉種茶樹云抗10 號(hào)以及小葉種茶樹舒茶早、龍井43 等全基因組測序的完成，越來越多的茶樹基因組序列得到解密，有利于在染色體水平上解析茶樹性狀遺傳機(jī)理及演變進(jìn)化。黔南民族師范學(xué)院Wang 等[28]完成了都勻毛尖茶樹染色體級(jí)別基因組組裝，獲得了3.08 Gb 大小的基因組序列，其中有2.67 Gb 重復(fù)序列，34 896 個(gè)蛋白編碼基因、104 個(gè)miRNA、261 個(gè)rRNA、669 個(gè)tRNA和6 502 個(gè)假基因。Lei 等[29]對(duì)云南臨滄8 個(gè)產(chǎn)茶區(qū)的1 350 份茶樹資源進(jìn)行了大規(guī)模全基因組重測序分析，研究揭示了云南臨滄茶樹的起源進(jìn)化。

2 茶樹育種技術(shù)進(jìn)展

分子標(biāo)記輔助育種是進(jìn)行植物遺傳改良的重要策略。2022 年，Wei 等[30]開發(fā)了首款茶樹高密度200 K全基因組SNP 芯片，包含179 970 個(gè)SNP 位點(diǎn)，基于該芯片加密了茶樹SNP 遺傳圖譜，將平均圖距縮小到0.39 cM，應(yīng)用該芯片有效定位了5個(gè)影響結(jié)實(shí)率的關(guān)鍵QTL 位點(diǎn)，發(fā)掘出茶樹重要功能基因，搭建了高通量的分子標(biāo)記篩選與基因鑒定平臺(tái)。Rohilla 等[31]采用比較基因組學(xué)方法，對(duì)CSA 和CSS 茶樹基因組進(jìn)行挖掘，首次鑒定獲得了茶樹微型反向重復(fù)轉(zhuǎn)座元件家族CsMITE以及內(nèi)含子長度多態(tài)性CsILP 標(biāo)記，為茶樹遺傳多樣性分析和分子標(biāo)記輔助育種提供了寶貴的資源。

在茶樹遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)上，也取得了新的探索和進(jìn)展。李晶等[32]研究了茶多酚對(duì)農(nóng)桿菌介導(dǎo)的植物遺傳轉(zhuǎn)化體系的影響，發(fā)現(xiàn)茶多酚會(huì)降低農(nóng)桿菌活力、被膜完整率和細(xì)胞吸附性，為農(nóng)桿菌介導(dǎo)的茶樹遺傳轉(zhuǎn)化體系提供了一定的參考依據(jù)。Li等[33]通過優(yōu)化反義寡核苷酸介導(dǎo)的基因沉默和農(nóng)桿菌介導(dǎo)的基因過表達(dá)轉(zhuǎn)化體系，構(gòu)建了在茶樹葉片中快速、高效進(jìn)行基因功能分析和亞細(xì)胞定位研究的瞬時(shí)表達(dá)系統(tǒng)。Mishra 等[34]誘導(dǎo)花藥產(chǎn)生愈傷組織，進(jìn)一步培養(yǎng)獲得雄性單倍體茶苗，為轉(zhuǎn)基因茶樹再生的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

3 茶樹新品種選育進(jìn)展

2022 年，共有62 個(gè)茶樹品種通過非主要農(nóng)作物品種登記（表1），5 個(gè)品種授權(quán)獲得植物新品種權(quán)（表2）。這些茶樹品種中包含有葉色特異的白化、紫化品種：黃金芽、中黃4號(hào)、中茶151、紫娟等，抗逆性強(qiáng)、產(chǎn)量高的品種：中茶149、中茗6號(hào)、中茶308 等，適合機(jī)采品種：中茶503、中茶504 等，適制綠茶、紅茶、烏龍茶、白茶、黃茶、黑茶六大茶類，滿足了多樣性茶類生產(chǎn)的需求，為穩(wěn)定、高效的茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了多樣化品種保障。

4 結(jié)語

2022 年度，科研工作者們?cè)诓铇溥z傳育種領(lǐng)域取得了豐碩的成果。然而，仍有一些問題需要思考和解決，如茶樹重要性狀的遺傳調(diào)控規(guī)律有待深入解析，分子標(biāo)記輔助育種、基因編輯等茶樹育種技術(shù)有待突破創(chuàng)新，茶樹穩(wěn)定高效的遺傳轉(zhuǎn)化體系有待構(gòu)建形成，已育成茶樹品種缺乏有效的推廣利用，滿足茶產(chǎn)業(yè)實(shí)際需求的重要品種有待育成等。