攻克基因組測序難題探究茶樹生物學奧秘

　　我國現存最早的中醫醫藥典籍《本草經》記載：“神農嘗百草，日遇七十二毒，得荼（茶）而解之。”這說明了茶的神奇功效。茶樹起源于我國的云南、四川等地，在從中國向世界各地數千年漫長傳播歷程里，與全球多元文化邂逅交融，發展形成了今天地球上復雜而美妙的茶文化。茶之所以廣受歡迎，除了有迷人的香氣和令人愉悅的滋味，還因為茶葉中含有許多對人們健康有益的特征性成分，諸如多酚、茶氨酸、咖啡因、維生素、芳香油和礦物質等。

　　一直以來，業內對于茶葉的香氣、風味和品質之間的關系，以及茶樹為什么可以在全球擴散并種植等問題，認為需要通過基因組學策略來研究。耗時7年，中國科學院昆明植物研究所研究員高立志帶領的團隊于2017年首次成功破譯了茶樹基因組。

　　日前，高立志在接受《中國科學報》記者采訪時表示：“如果說化石可以幫我們找到山茶屬植物最早起源與演化的證據，那么基因組測序可以探究茶的生物學奧密。”

　　立志破譯茶樹基因

　　如今，茶樹被種植在全球超過380萬公頃的土地上。來自國際茶樹委員會的數據顯示，2016年，全球茶葉產量546.3萬噸，其中，中國產茶量235萬噸。高立志說：“茶葉不僅在中國而且在世界范圍內具有巨大的經濟、醫藥、科研和文化價值。”

　　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，唯獨茶樹基因組遲遲未被破譯。

　　2006年，高立志從美國回到云南，加盟依托于中科院昆明植物所的中國西南野生生物種質資源庫。回國后他做的第一件大事就是購買了我國第一臺二代高通量測序儀Solexa GA II，隨后他帶領團隊在國際上首次破譯了稻屬植物5個物種全基因組。

　　有了水稻基因組測序的項目經驗，2010年，高立志帶領植物種質資源、基因組學與生物信息學研究團隊，首次在國際上啟動了茶樹基因組計劃。

　　茶樹基因為何難測

　　高立志團隊聯合華南農業大學、云南農業大學、廣東省農業科學研究院、遼寧師范大學、云南省茶葉科學研究所、金華國際山茶園、華中農業大學和華盛頓大學等單位的相關研究團隊，率先在國際上完成了栽培茶樹大葉茶變種國家級良種云抗10號核基因組的測序和組裝，獲得了約30.2億堿基對的高質量基因組參考序列，注釋得到36951個蛋白編碼基因。

　　深入研究后團隊發現，茶樹基因組龐大的原因居然是長末端重復序列反轉錄轉座子家族。在過去5000萬年以來，茶樹基因組中長末端重復序列反轉錄轉座子家族經歷了多次特別是近期的大量爆發，它們長期而緩慢地擴增，卻又缺少有效的DNA刪除機制，導致茶樹基因組變得十分龐大。

　　高立志指出：“現在的茶樹基因組跟人類基因組差不多大，咖啡基因組大小僅為它的四分之一，而水稻和可可的基因組大小只有它的八分之一左右。”

　　茶樹為什么如此復雜，使得基因組測序很困難？因為茶樹是一種高度自交不親和的異交植物。高立志舉了一個形象的例子：“茶樹的花粉落到自己的株頭上很難成功授粉，這使得幾乎每個茶樹個體都是雜種，新個體產生時候只知道自己的茶樹媽媽是誰，不知道爸爸是誰。”

　　茶樹這樣基因組高度雜合的特點，顯然給開展基因組測序帶來了很大的麻煩。高立志團隊發現，茶樹基因組雜合度高達2％；重復序列含量極高，約占整個基因組的80.9%。高立志將測序工作簡單地描述為以下幾步：先將一條很長的DNA鏈剪成一個個小段，接著用二代高通量測序儀測序，最后也是最重要的一步是拼接還原。雜合度高、重復序列含量也高的基因組，不僅組裝復原困難，而且非常容易出錯。

　　最后一步組裝工作極其困難，高立志團隊花了4～5年時間才完成，最終攻克了茶樹這樣高雜合、高重復和基因組龐大的植物基因組測序的難題。

　　為何只有茶組植物適合制茶

　　茶樹所在的山茶屬植物多達119種，一個重要卻長期困惑人們的問題是，為什么只是茶組植物的葉子適合制茶，而非茶組植物，比如人們熟知的茶花和油茶等的葉片不能作為茶飲。

　　為此，高立志帶領團隊對大多數茶組植物和非茶組的代表植物進行了植物化學成分的比較分析，發現茶樹和其他的茶組植物富含茶多酚和咖啡因，從而區別于非茶組物種。

　　研究還發現，茶樹近期曾經發生過一次全基因組重復事件，加上大量的特異基因家族的擴增，導致茶樹基因組里與茶葉的香氣、風味與品質密切相關的基因顯著地擴增了，擴增的結果是不僅促進茶樹適應全球多樣化環境，還通過優勝劣汰的自然選擇促進了茶樹抗病基因家族的增長，使其成為世界性飲料植物。

　　高立志總結道，山茶屬中第一個基因組的獲得，不僅可以了解山茶屬植物基因組與基因的進化規律，還促進了世界四大木本油料植物之一的油茶、世界十大名花山茶花和被譽為“植物大熊貓”的金花茶的遺傳育種。

　　通過與不同團隊的合作交流，高立志已成為一位茶學專家，并在研究中進一步證實野生茶跟栽培茶樹風味不一樣的遺傳基礎。茶樹野生近緣物種因蘊藏著豐富的優異新基因，有望開拓新的茶葉市場，使中國的茶文化在國家的“一帶一路”倡議中再次走向世界。