茶樹是自交不親和植物，更因長期的無性繁殖積累大量體細(xì)胞突變，導(dǎo)致基因組高度雜合、組裝難度很大。
隨著測序技術(shù)的發(fā)展，近年來多個茶樹全基因組物理圖譜被破譯，但仍缺乏對烏龍茶之首鐵觀音基因組的研究。
由福建農(nóng)林大學(xué)教授尤民生和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院（深圳）農(nóng)業(yè)基因組研究所（以下簡稱深圳基因組所）研究員張興坦主持，聯(lián)合國內(nèi)外多家單位的科學(xué)家共同合作成功破解鐵觀音基因組和茶樹演化史。相關(guān)研究成果于2021年7月15日發(fā)表于《自然—遺傳學(xué)》（ Nature Genetics ）。
該研究利用自主開發(fā)的新算法破譯了茶樹優(yōu)良品種“鐵觀音”的單倍體分型基因組，并在此基礎(chǔ)上闡釋了等位基因在長期無性繁殖過程中應(yīng)對“遺傳負(fù)荷”的機制，以及茶樹群體演化和馴化歷史，為茶樹育種改良提供了新見解。
成功破解鐵觀音單倍體分型組裝技術(shù)難題
許多重要作物都是無性繁殖，例如馬鈴薯、木薯和茶樹。論文共同通訊作者尤民生說，無性繁殖可以有效保留親本優(yōu)良基因型，快速篩選和培育新品種。然而，這種方式容易造成作物缺乏遺傳多樣性，更容易遭受病原菌的侵害，并積累大量的有害突變。
有害突變的不斷積累會使生物體適應(yīng)環(huán)境的能力大大降低，會直接影響重要農(nóng)藝性狀?！耙虼私馕鰺o性繁殖作物的基因組信息對于及時鑒定和清除有害突變、改善作物品質(zhì)至關(guān)重要?！?尤民生說。
鐵觀音是全國十大名茶之一，也是烏龍茶系列最為出名的品種。其香馥郁持久、味醇厚爽口，聞名中外。
該團隊利用自主開發(fā)的兩種算法（ALLHiC和Khaper），整合Illumina短讀長、PacBio CLR長讀長和高通量三維染色質(zhì)捕獲技術(shù)（Hi-C），攻克高雜合基因組組裝難題，成功拼接了兩套鐵觀音基因組——單倍體參考基因組和單倍體分型基因組。
論文共同通訊作者張興坦告訴《中國科學(xué)報》，茶樹是二倍體，含有15對同源染色體。單倍體參考基因組是篩選同源染色體中的一份拷貝作為代表，組裝到染色體水平；而單倍體分型基因組是將來源于不同父母本的兩套同源染色體同時組裝到染色體水平。前者不區(qū)分等位基因，廣泛用于二倍體基因組的組裝；后者區(qū)分等位變異，更完整地呈現(xiàn)二倍體基因組的全部遺傳信息。
利用優(yōu)勢等位基因應(yīng)對“遺傳負(fù)荷”
鐵觀音距今已有約300年的栽培歷史，長期的無性繁殖積累大量體細(xì)胞突變，包括有害突變，增加了遺傳負(fù)荷，導(dǎo)致其適應(yīng)性降低。
尤民生說，人們對無性繁殖作物如何應(yīng)對遺傳負(fù)荷這一問題知之甚少。
他說，傳統(tǒng)的雜種優(yōu)勢現(xiàn)象可以由顯性效應(yīng)和超顯性效應(yīng)兩種假說解釋。顯性效應(yīng)指個體傾向于利用有利于生長和發(fā)育的優(yōu)勢等位基因（或顯性基因），而忽略對個體不利的劣勢基因（或隱形基因）。超顯性效應(yīng)指雜合等位組合在多種生境下優(yōu)于任一純合等位的現(xiàn)象。
該團隊基于鐵觀音分型基因組組裝，鑒定到14691個基因具有等位變異。其中1528個基因存在一致性的等位特異性表達，即其中一個等位基因在所有組織和樣本中的表達都高于另一等位基因。
有386個基因存在非一致性的等位特異表達，即兩個等位基因分別在不同的組織中存在特異高表達。
“前者可以被認(rèn)為是具有顯性效應(yīng)的基因，而后者是具有超顯性效應(yīng)的基因?！睆埮d坦說，這一結(jié)果顯示，在無性繁殖的茶樹基因組中，顯性效應(yīng)可能是其應(yīng)對遺傳負(fù)荷的重要機制。面對大量積累的體細(xì)胞突變或有害突變，個體選擇使用未突變或?qū)€體有利的等位基因維持其正常的生長發(fā)育和對環(huán)境的適應(yīng)性。
大葉茶與小葉茶存在不同的演化和馴化歷史
茶樹遺傳多樣性較高。該團隊還對161個茶樹品種和15個近緣種大理茶進行了重測序分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些個體聚類為三組，分別為大理茶、大葉茶和小葉茶。
其中大葉茶分為兩個亞組，古大葉茶和栽培大葉茶；而小葉茶分為四個亞組，依據(jù)其主要地理分布可以劃分為川陜贛、浙江和閩北、閩南、兩湖（湖南和湖北）和安徽。
論文共同通訊作者、福建農(nóng)林大學(xué)唐海寶教授介紹，遺傳分析顯示，各茶區(qū)存在頻繁的種質(zhì)基因交流，其中一些與有記錄的茶樹雜交育種歷史相吻合。比如茶樹黃玫瑰品種呈現(xiàn)出鐵觀音與黃棪基因組混合的組分，而黃玫瑰是兩者子代黃觀音和黃棪回交選育的優(yōu)良品種。
“這種頻繁的基因交流不僅出現(xiàn)在茶樹種內(nèi)，在茶樹與近緣種間也普遍存在?！碧坪氄f，進一步分析發(fā)現(xiàn)，這些物種呈現(xiàn)網(wǎng)狀演化模式，而非簡單的樹形演化。更多的證據(jù)表明，茶樹與近緣種間頻繁的雜交漸滲是其網(wǎng)狀演化和維持茶樹遺傳多樣性的重要因素。
此外，該團隊通過群體遺傳分析發(fā)現(xiàn)，大葉茶和小葉茶具有不同的演化和馴化歷史。距今約259萬~181萬年前，劇烈的氣候變化很可能導(dǎo)致了整個茶樹物種的群體收縮，這也是一次大葉茶和小葉茶共享的瓶頸事件。
兩個變種分化后，小葉茶的生境遭遇了末次冰盛期，2.65萬~1.9萬年前的溫度驟降可能使得小葉茶出現(xiàn)了再一次的群體瓶頸，但隨后適應(yīng)了環(huán)境的小葉茶迅速擴張，群體規(guī)模得到恢復(fù)。
“人們對大葉和小葉茶制品的偏愛有所不同也導(dǎo)致兩者經(jīng)歷了平行的馴化歷程?！睆埮d坦說，大葉茶早期的馴化主要篩選了一些糖苷類物質(zhì)轉(zhuǎn)運的相關(guān)基因，而在品種改良階段，人們更關(guān)注生物堿和香氣揮發(fā)物相關(guān)的代謝途徑。
茶樹基因組學(xué)研究展望
20世紀(jì)60年代，大規(guī)模推廣矮稈或半矮稈的水稻和小麥品種極大的提高了作物產(chǎn)量，被稱為“綠色革命”。
該團隊發(fā)現(xiàn)，茶樹株高在長期栽培過程中也受到馴化，體現(xiàn)在兩個細(xì)胞色素P450家族基因受到人工選擇。這兩個基因參與油菜素內(nèi)酯合成，一個基因在擬南芥突變體中導(dǎo)致了延長的下胚軸，另一個基因的突變直接導(dǎo)致了植株侏儒的表型。
“這兩個基因極有可能為植株矮化、產(chǎn)量提高這一茶產(chǎn)業(yè)界的‘綠色革命’做出貢獻?！庇让裆f。
在接下來的研究中，該團隊將利用組學(xué)分析和分子生物學(xué)技術(shù)挖掘功能基因、解析其背后的遺傳調(diào)控機制，開展基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動的基因組智能設(shè)計育種，將會有效縮短育種周期、提高育種效率、降低育種成本。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-021-00895-y
