茶的清香哪裡來？茶樹起源於何處？一文探尋茶的前世今生
舒茶早的花和果 韋朝領供圖
為什麼一杯清茶會有一種令人愉悅的香氣？我國栽培茶樹起源於何處？許多關於茶樹的科學謎題尚待解開。
作為全世界最早利用茶葉和最大的產茶國，我國茶樹領域的科研工作者倍感責任重大，迫切想要探明茶樹的基因組秘密。
近日，安徽農業大學茶樹生物學與資源利用國家重點實驗室教授宛曉春和韋朝領研究團隊找到了答案，他們獲得了茶樹染色體級別的高質量參考基因組，並揭示了栽培茶樹適應性進化機制。相關研究成果在線發表於《分子植物》。這將大力推動茶樹生物學基礎研究。
種茶歷史悠久 基因測序爭先
中國是茶樹的原產地，是世界上茶樹種質資源最為豐富的國家，是茶葉生產和消費大國。目前我國茶樹種植面積和茶葉產量均居世界首位。作為世界上最早種茶、制茶、飲茶的國家，我國人工栽培茶樹有3000多年歷史。
不過，由於茶樹中很多重要基因及其位置信息知之甚少，大大地限制了茶學方面的基礎和應用研究。
「如果我們不做茶的基因組研究，而讓外國科研人員搶先，這對於一個種茶歷史悠久的國家來說是一件很遺憾的事情。」宛曉春在接受《中國科學報》採訪時表示。
為了「爭口氣」，他們在12年前就啟動了茶樹基因組研究工作。但由於當時測序技術的局限性，相關工作進展緩慢。
他們以國家級茶樹品種舒茶早（屬於中國種）為測序材料，開始了一場科研長跑。由於茶是自交不親和的植物，基因組大且雜合度和重複性序列含量高，為基因測序和組裝帶來了很大的困難。
2018年4月，該團隊在美國《國家科學院院刊》上發表基於二代和三代測序技術獲得的覆蓋基因組93%區域的第一版高質量舒茶早茶樹基因組草圖。
不過，因為茶樹基因組非常複雜且龐大，重複序列很多，第一版的組裝質量還存在很多不足。為此，在測序技術和基因組組裝水平迅速發展的背景下，為了給世界上茶葉學術界和產業界提供高質量的茶樹基因組版本，他們開始了新的征程。
「在舒茶早基因組草圖基礎上，利用單分子測序（PacBio）和染色體構象捕獲（Hi-C）技術，我們最終獲得了更加精準的染色體級別的茶樹高質量參考基因組序列。特別是注釋了更多完整和準確的長末端重複序列反轉錄轉座子序列（LTR）。」韋朝領告訴《中國科學報》。
與前期報道的茶樹基因組草圖相比，該基因組組裝的準確性與完整性都得到了極大的提升。
隨後，研究團隊發現，高含量的重複序列不僅是茶樹基因組龐大的主要原因，還可通過內含子插入使得基因平均長度增加和部分重複基因的功能發生分化。
茶樹基因組雜合區域佔全基因組的18.8%，該區域包含3440個蛋白編碼基因，它們主要參與氮化合物轉運活性、組蛋白修飾、激素合成過程等生物學過程。
破解風味之謎 探尋前世今生
目前，全世界有近60個國家種茶，五大洲有150多個國家和地區飲用消費茶葉，20多億人鍾情於茶飲，人們迷戀的是茶葉的滋味和香氣。
那麼，是什麼決定了茶葉獨特的風味和香氣呢？
「決定茶葉滋味和香氣的是次生代謝產物，比如多酚類化合物、茶氨酸、咖啡鹼和揮發性化合物等，這也是我們關注最多的。利用茶、飲用茶以及茶的健康功能主要依靠次生代謝產物。而茶多酚在茶樹的積累是非常高的，在不同品種中，茶多酚約佔茶葉乾重的20%~40%左右。」宛曉春介紹。
這類化合物之所以含量如此之高，「通過基因精確組裝，我們發現是萜烯類合成酶基因通過近期串聯複製使得這些關鍵基因的拷貝數明顯增加，而且是成簇地分布於不同染色體，為解釋茶葉含有豐富的香氣物質提供了重要線索」。韋朝領說，而且，萜烯類合成酶基因還與茶樹的抗性有關係。
除此之外，關於一個物種的前世今生，植物學家總想探尋清楚。對於他們來說，研究很多關鍵基因的進化十分有趣，比如這些基因從哪來、和其他物種的基因有沒有滲透、會不會互相影響，等等。
「我們對國內外81份茶樹樣品進行深度測序，構建了首張代表性栽培型和野生型茶樹的基因組變異圖譜，發現所選取樣品分為阿薩姆類型、中國種類型和野生類型。」宛曉春介紹。
團隊還通過比較基因組對茶樹栽培種的進化和起源進行了分析，發現茶樹「祖先」種大約在6400萬年前與親緣關係最近的獼猴桃物種發生分化，隨後又在439萬年前分化成為阿薩姆種和中國種。
不僅如此，來自國內不同地區的茶樹遺傳多樣性研究結果，支持了我國西南地區是我國栽培茶樹的起源地的學說。他們還鑒定得到一些在茶樹品種選育和改良過程中受到強烈選擇的人工馴化基因。
選到品質特徵更優的品種
最近的人類、動物和植物的全基因組計劃研究結果證明，一個物種的全基因組序列解析是基因的圖位克隆和重要性狀相關候選新基因的發現和功能鑒定的最有效途徑。
比如，擬南芥、水稻、玉米、釀酒葡萄等基因組測序的完成，正為各自物種的基因發掘提供非常重要的信息，同時也推動植物學的研究。
在韋朝領看來，這項成果將為我國未來茶樹優異種質資源的科學保護、茶樹重要農藝性狀基因發掘和遺傳育種研究提供高質量數據資源和理論依據，也將進一步推動山茶屬植物基因組進化、茶樹起源和遺傳多樣性等重大基礎生物學問題的研究進程。
茶葉是我國的「國飲」，也是世界公認的最重要的天然健康飲料。
「有了高質量的參考基因組，又破解了滋味和香氣的密碼，我們可以利用茶樹獨特的次生代謝物質形成機理，控制這些代謝物質的基因簇開發其保健功能，這將成為茶樹功能基因組研究的重要方向。」宛曉春指出。
「不久，我們會選到具有更適合人飲用的品質特徵的品種。」韋朝領表示，這將促進世界對茶的認識、傳播和利用。
