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【云听】茶树几百万年来如何一路走进我们如今的茶杯?

2021-09-24 11:43:00来源:

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Q: 为何要解析茶树的基因组信息?又为何有难度?

A: 每个物种的基因组都是一个百科全书,这本百科全书不是由文字组成,而是由ATGC四种碱基组成的序列,这些序列从本质上决定了每个生命个体的特征,我们称这些序列为遗传物质,就是可以一代代传递下去的物质。比如人类的ABO三种血型就是由这一类的遗传物质决定。

反映在茶树基因组上也是同样的道理,只有解析了茶树的遗传物质,我们才能进一步的找到哪些基因控制了茶叶的生长状态、控制了茶叶的口感。有了这些知识的积累,我们在改良茶树品种的时候才可以有针对性的选育茶树优良品种,从而加速育种进程。

茶树基因组组装难度比较大,主要体现在三方面:1. 基因组庞大。茶树的预估基因组大小是30亿对碱基(或者说3 Gb),跟人类的基因组大小差不多。当年人类基因组计划耗费了近10年的时间、花费了30亿美元,6国科学家合作才完成。当然,得益于高通量测序技术的进步,如果基因组组装和测序的难度已经极大简化。但对于一个3 Gb的基因组仍然需要投入大量的经费和资源才能完成;2. 重复序列比例很高。人类基因组的重复序列占整个基因组的45%左右,但茶树的重复序列比例高达75%以上。这些重复序列增加了计算资源的消耗,也会引入大量的组装错误。3. 两套单倍型之间高度杂合。我们先讲下什么是单倍型啊。我们人类有两套染色体,一套来自于父亲,一套来自于母亲,其中每一套染色体就称为单倍型。茶树是二倍体,也是存在两套单倍型。这茶树的两套单倍型跟人类的或者水稻这些常规的基因组又不一样,茶树的两套单倍型差异很大,我们称为高度杂合。这个主要是由于茶树是自交不亲和植物,自交不亲和的意思是自己的花粉不能给自己受精从而繁育下一代,必须与其他不同的品种进行杂交。不同品种之间存在很大的遗传多样性,来自不同品种的单倍体进入子代后就会存在很大的差异。

 

Q: 在铁观音的基因测序有哪些发现?

A: 除了方法学上的创新,还有如下几个生物学发现:

1. 铁观音选育于清朝雍正年间,距今已有约300年的栽培历史。长期的无性繁殖积累了大量基因突变,这些突变往往对其个体的生长发育和环境适应性造成不良影响。通过解析基因组,我们可以找到铁观音中哪些基因发生了有害突变,继而通过杂交育种或现代分子育种的技术消除这些有害突变,维持其优良品质。

2. 通过群体遗传学的技术,我们鉴定到一系列与茶树优良品质相关的基因,比如小叶茶中儿茶素合成相关的F3’H,大叶茶中咖啡因合成相关的XDH基因等。在这些已有知识的指导下,我们可以通过基因组扫描的方法快速筛选哪些茶树个体可能具有优良的性状、具有良种的潜质,对于加速育种效率具有重要意义。

3. 茶树的生态防控在很大程度上依赖于选育抗性品种。我们的研究成果显示大量的次级代谢产物相关的基因在长期的人工驯化中起着重要作用,例如R-柠檬烯、β罗勒烯合成通路的相关基因。同理,利用这些知识,我们可以快速筛选出来具有良好抗性的茶树品种,减少农药使用,对于维护茶园生态安全具有重要作用。

 

Q: 茶树在演化和被驯化当中经历了哪些变化?哪些环境变化产生了巨大影响?

A: 栽培茶树品种主要分为大叶茶(C. sinensis var. assamica, CSA)和小叶茶(C. sinensis var. sinensis, CSS),两者之间在形态上具有明显差异。前者植株较高、叶片较大、多为乔木,主要生长在云南、广东等温度较高的地域;而后者植株较矮、叶片较小、多为小乔木或灌木,可以生长在北至山东等较寒冷地区。

研究人员通过群体遗传分析发现大叶茶和小叶茶具有不同的演化和驯化历史。在距离约259-181万年的格拉斯阶时期,剧烈的气候变化很可能导致了整个茶树物种的群体收缩,这也是一次大叶茶和小叶茶共享的瓶颈事件。两个变种分化后,小叶茶的生境遭遇了末次冰盛期,2.65-1.9万年前的温度骤降可能使得小叶茶出现了再一次的群体瓶颈,但随后适应了环境的小叶茶迅速扩张,群体规模得到恢复

此外,人们对大叶茶和小叶茶制品的偏爱有所不同也导致了两者经历了平行的驯化历程(图4)。大叶茶早期的驯化主要筛选了一些糖苷类物质转运的相关基因,而在品种改良阶段人们更关注生物碱和香气挥发物相关的代谢途径。

例如,研究人员鉴定到CsXDH基因在大叶茶品种改良阶段受到强烈的人工选择,该基因编码黄嘌呤脱氢酶,是咖啡因合成通路的重要基因[9]。

小叶茶早期人工选择的基因与植物防御和抗性相关,事实上这些受选择的基因同时也参与到了重要的次级代谢产物的生物合成,例如R-柠檬烯、β罗勒烯等途径。

作为儿茶素合成通路的关键基因,F3’H也在这一过程中受到人工选择。而在小叶茶品种改良过程中,人工驯化涉及到花发育和一氧化氮(NO)响应相关的基因。之前的研究表明,NO的积累可以加速γ-氨基丁酸的消耗从而帮助植物抵御冷胁迫,这一结果暗示着筛选耐寒的品种也是人工选育的重要目标。

 

Q: 很多人都觉得“野生的好”,人类驯化的茶树和野生茶树相比有什么优势、劣势?

A: 有些野生种质资源确实有它的独特的好处,在某些特定的环境下形成了独特代谢产物,对人类健康具有保健功效或者具有独特的风味,这也是为什么人们会觉得“野生的好”。但这些野生的种质资源很少,产量低,无法满足人民日益增长的物质需求,因此才需要人类驯化。把这些优质的种质资源扩大培养,形成成熟的产品,让更多的人能品尝优质的茶叶。这也是为什么要提倡保护野生种质资源,因为优异的种质资源一旦失去了,我们可能很难再找回来了。

 

Q: 人类需要茶树呈现哪些特性?比如为何要变得更矮?

A: 人们对茶叶的需求主要还是香气、滋味、汤色、回甘,保健效果,比如苦茶碱等保健成分的含量高。不同的芽期,从而可以在不同的季节都可以采摘,一年四季人们都可以有新鲜的茶叶品尝。

矮化也是一个重要的驯化性状。野生茶树比较高大,采摘不方便,需要爬高,变矮就方便采摘,从而增加了产量。

 

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