茶承載了人類千百年的文化傳承，是一個連接人與土地、傳統與現代的紐帶。茶的經濟和文化雙重價值一直在為社會的可持續發展提供動力。在每一片茶葉背後，都隱藏着一部生命的史詩，撰寫它們的主角就是一個個神秘的茶樹基因組。2023年11月27日中國農業科學院深圳基因組所張興坦團隊發表了題為「Gene mining and genomics-assisted breeding empowered by the pangenome of tea plant Camellia Sinensis」的研究成果，該文章揭示了茶樹的泛基因組，為我們打開了通往茶葉背後故事的大門。這不僅是一篇科學的文章，更是對我們所鍾愛的茶文化的致敬。讓我們一同追溯源頭，感受科學研究與傳統飲料的完美交融，共赴茶樹基因組的奇妙之旅！
發表期刊：Nature Plants（IF=18）
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01 研究背景
非模式植物物種對於自然環境的優化和人類社會的進步有着不可代替的作用，但由於存在改良周期、複雜的基因組、模糊的家系背景以及低效的基因轉化系統等阻礙，非模式植物物種的改良一直進展緩慢。泛基因組研究手段的普及，為非模式物種帶來了新的方向，該方法不受限於單一參考基因組，能以單鹼基解像度捕捉物種內的全部遺傳變異。這種方法已經用於挖掘模式作物（如水稻、番茄和黃瓜）以及非模式作物（如小麥、高粱和馬鈴薯）中與複雜性狀相關的關鍵基因。
茶在全球擁有龐大的種植面積和產量，茶葉產業的經濟價值達到了約170億美元，在可持續發展、減少貧困和茶葉出口及發展中國家食品安全方面發揮關鍵作用。儘管已有部分研究揭示了染色體水平的茶樹基因組，為茶的功能基因組學和遺傳研究提供了寶貴資源。然而，一兩個參考基因組不能充分代表該物種的全面遺傳信息，茶泛基因組研究能夠整合多個茶基因組的複雜變異，減少參考偏差；發現基因型結構變異（SVs）的優勢，有助於解決全基因組關聯研究（GWAS）中的「缺失遺傳性」的問題。因此，構建茶樹核心種質資源的泛基因組，並將其應用於解讀關鍵經濟性狀的遺傳結構，對茶葉遺傳學和育種研究具有重要意義。
02 研究結果
① 多個優質茶樹品種基因組的從頭組裝和注釋
研究人員從中國、印度、韓國等八個主要茶葉產國搜集了736個山茶品種，形成了3個群組。通過高質量的組裝和評估，他們構建了一個包含22個品種的茶樹泛基因組群，這代表了中華茶種的遺傳多樣性。研究者發現這些基因組具有92.8%的Busco平均值，鹼基組裝準確度可達Q30，以及98.93%的二代數據比對覆蓋率。在重新注釋基因組時，他們觀察到重複序列中LTRs的佔比達到50%以上，並注意到LTR在所有基因組中的快速擴張。通過鑑定高質量基因模型，研究者發現茶樹基因組中的蛋白編碼基因數量比獼猴桃增加了近20%，這主要源於小規模的基因複製，而非全基因組複製。這些發現為深入了解茶樹基因和物種演化提供了重要信息。
22個不同品種的茶樹泛基因組構建
② 茶基因組的結構變異（SV）與轉座子（TE）的深度剖析
通過21個基因組與參考基因組（TGY）的比較分析，研究人員鑑定到分佈在15條染色體上的887,986個SV，包含435,505個缺失，421,642個插入，6,595個重複和24,244個倒位；其中，79.8%的SV與各自區域中的轉座子TE重合，二者之間具有顯著的相關性，這些結果暗示，轉座子在驅動結構變異方面發揮着重要作用。茶樹泛基因組等位基因分析表明，茶樹泛基因組擁有29.8%的core基因，43.9%的Shell基因，以及26.3%的private基因。此外研究發現超過30%的結構變異對蛋白質編碼基因產生了顯著影響，受SV影響的高表達基因的比例要高於不受SV影響的基因，這表明，部分SVs可能有助於激活茶樹中的轉錄過程，促進基因表達。
茶基因組的結構變異（SV）分析
③ 結構變異對茶樹不同葉片顏色的影響
研究人員結合轉錄組和代謝組研究，進一步探究了結構變異SV對茶樹葉片顏色的影響。研究發現，茶樹不同品種之間的葉片顏色差異可能歸因於與葉綠素和玉米黃質等途徑相關的基因發生的結構變異（SVs）。通過對相關基因進行序列比對，發現在關鍵酶中存在多個SVs，可能影響葉綠素和其他代謝物的合成。其中，『AJBC』和『HJY』品種的GluRS基因顯示了反密碼子識別結構的缺失，可能導致谷氨酰-tRNA合成酶功能受損，從而影響葉綠素合成。此外，CYP97A3基因在不同葉片顏色的樣本中顯示出各種突變，這可能影響底物結合能力，進而影響玉米黃質的積累。在對紫葉樣本的研究中還發現了與類花青素生物合成途徑相關的基因表達上升和轉錄因子基因的插入突變，這可能是紫色葉片產生的原因。這些研究結果揭示了結構變異在茶樹葉片顏色調控中的潛在作用。
結構變異影響茶樹的葉片顏色
④ 茶樹泛基因組GWAS挖掘
該研究利用茶樹泛基因組進行早芽萌發階段（EBF）的GWAS研究。在155個重測序個體中，研究人員發現了35個與EBF特性顯著相關的SNP，其中，有三個SNP與之前定義的38.45 Mb的性狀位點（qSPI4）重疊，SNP關聯進一步細化了該區域，同時還鑑定了額外的25個潛在蛋白編碼基因。此外，通過基於SV分子標記的泛GWAS分析，研究人員在特定基因座內發現一個結構變異（SV）與DREB2A-like基因相關，這可能在控制EBF特性中發揮作用。與傳統SNP-GWAS相比，SV-based GWAS能夠發現新的與EBF特性相關的基因組區域。總之，這種泛GWAS揭示了與EBF相關的多個SV，其中一些SV會影響與休眠相關的基因，這些發現強調了基於SV的泛GWAS研究在探究茶樹遺傳並定位功能基因的有效性。
茶樹泛基因組GWAS挖掘
總結
本文通過對22個典型茶樹品種的基因組測序和泛基因組組裝及構建，揭示了茶樹基因組的龐大複雜性，強調了泛基因組在揭示關鍵基因方面的優勢。研究發現茶樹基因組中蛋白編碼基因數量之多超過預期，主要源於小規模的基因重複，並強調了結構變異在葉片顏色調控和早芽萌發等複雜性狀中發揮的關鍵作用。總之，這一研究推動了對茶樹進化和遺傳學的深入理解，為茶樹產業的可持續發展和改良提供了科學依據，也為其他非模式植物的基因組研究提供了啟示。
