茶葉不同風味何處來：中國科學家全球首次解析茶樹基因組

無論紅茶、綠茶、烏龍茶或白茶都來自於常綠灌木茶樹的葉子。儘管茶葉具有巨大的文化和經濟意義，但人們對茶葉背後的灌木知之甚少。然而，5月1日中國科學家發表在Molecular Plant上的茶樹基因組的研究文章破譯了世界三大飲料植物之一茶樹的基因組，能有助於解釋為什麼茶葉中含有豐富的抗氧化劑和咖啡因，並有望助力新的茶樹新品種的培育。

中國科學院昆明植物研究所高立志研究員帶領的研究團隊於2010年首次在國際上啟動了茶樹基因組計劃，聯合華南農業大學、雲南農業大學等中美韓多個機構；歷時5年完成了栽培茶樹大葉茶種「雲抗10號」基因組的測序、組裝、注釋與分析，獲得了世界上第一個較高質量的茶樹參考基因組。生物探索就相關問題對高立志研究員進行了郵件採訪。

在高立志研究員的工作之前，我國甚至全球對茶樹的分子遺傳研究還是很薄弱的，只有非常少的遺傳信息，茶樹生物學研究也相對滯後。本次測序的「雲抗10號」是雲南省農科院茶葉研究所1954年從自然群體中選育出的南糯大葉茶樹抗寒後代，屬國家級良種。以「雲抗10號」鮮葉為原料可製作優良的紅茶或綠茶，著名的比如「峨山銀毫」。

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多拷貝的咖啡因和黃酮類生產基因讓茶葉別具風味

了解茶樹基因與近親的區別可能有助於茶葉種植者弄清楚什麼使茶樹葉子如此特別。山茶屬植物有100餘種，但只有兩大品種 (C. sinensis. var. assamica 和C. sinensis var.sinensis)的葉子適合制茶，而茶花、油茶和金花茶等非茶組植物的葉片不適合。高立志研究員解釋說：「茶葉有各種風味，但神秘的是什麼決定了茶葉的風味？或者什麼是這些風味的遺傳基礎？」

以前的研究表明，茶葉富含一種叫做類黃酮的抗氧化劑，這種物質被認為是幫助植物在其環境中生存的分子。其中一種苦味的類黃酮叫兒茶素，與茶味有關。兒茶素和其他黃酮類化合物在茶樹各品種中含量不同，咖啡因含量也不同。高立志研究員的團隊發現，茶樹的葉子不僅含有高含量的兒茶素、咖啡因和黃酮類化合物，而且還含有產生咖啡因和黃酮類化合物的基因的多個拷貝。

25種山茶屬植物重要代謝途徑的進化差異

咖啡因生物合成的進化

咖啡因和比如兒茶素的類黃酮不是蛋白質（因此不直接編碼在基因組中），但茶葉基因編碼的蛋白質可以製造它們。所有山茶屬植物都有咖啡因和類黃酮產生途徑，但每個物種在不同的層次上表達這些基因。這種變化也許可以解釋為什麼茶樹的葉子適合泡茶，而茶組以外其他山茶屬的葉子卻不適合。

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茶樹基因組大量重複序列讓組裝工作超過5年

研究結果顯示在茶樹基因組中超過一半的鹼基對（67%）是反轉錄轉座子序列，具有無數次複製和插入到基因組不同位點的能力。大量的轉座子導致茶樹基因組規模急劇擴張，某些基因（包括抗病的）可能是很多次的重複。研究人員認為，這些「擴張」的基因家族能夠幫助茶樹適應不同的氣候和環境壓力，因為茶樹在各種氣候條件下都生長良好。因為大量的轉座子複製和插入似乎發生在茶樹的進化史上相對是最近的時間上，研究人員認為至少部分的重複是由於人工培養造成的。然而，這些大量的重複序列也讓茶樹基因組的組裝變得很艱難，眾所周知基因組的組裝超過了5年，儘管高立志研究員的團隊已經成功地測序和組裝了二十多個植物基因組。

茶樹基因組和基因家族的進化

另一方面，茶樹基因組比原先預期的要大得多。在30億2000萬個鹼基對的長度上，茶樹基因組的大小是咖啡基因組的四倍，遠遠大於大多數已測序的植物物種。科學家必須複製成千上萬的基因組片段，對它們進行測序，並識別出現在多個片段中的重疊序列。這些重疊序列成為以正確的順序將片段連接起來的標記。然而，當基因組本身包含的序列重複數百或數千次的話，這些測序形成的重疊末端序列就會消失在無數重複片段群里。就像組裝一個上百萬件的拼圖，其中幾乎所有的中間部分看起來好像一模一樣。

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解析不同茶葉的遺傳密碼未來要做的工作

就基因組數據共享的問題我們諮詢了高立志研究員。他介紹說他們團隊已經初步構建了茶樹基因組共享分析的網站，下一步將進一步完善，不斷為全世界同行提供茶樹乃至山茶屬植物的基因組信息。

關於茶樹的基因組還有更多的工作要做，無論是在複核基因組草圖還是對世界各地不同茶樹品種進行測序。隨著遺傳圖譜的構建和新的測序技術，高立志研究員的團隊正在研究一個新的茶樹基因組計劃：他們將分析基因拷貝數的變化，看看它們是如何影響茶葉的性質，比如味道。他們想得到一張茶樹基因變異的地圖，並回答它是如何被馴化、種植和分散到世界不同大洲的。

茶葉風味的形成與差別，包括茶葉的風味本身，非常難以定義，但人們品茗時可以感覺得到這些微妙的差異。高立志研究員指出要了解什麼是茶樹不同風味的遺傳基礎，用已獲得的茶樹基因組作為參考，除了測序並比較不同品種相關的基因的單核苷酸差異以外，應該結合基因表達譜、植物化學成分和代謝組學的數據進行整合分析才行。

最近開發出來的基於CRISPR/Cas系統的基因組編輯技術則能高效方便又精確地實現基因組的定向改造，在創造植物新品繫上有著巨大潛力。毋庸置疑，茶樹基因組的破解對將來基因編輯新茶樹品種會有所幫助。

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參考資料：1）Atlases of immune cells surrounding tumors may guide immunotherapy

2）Cell maps reveal fresh details on how the immune system fights cancer

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