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破解鐵觀音基因組有望實現植株矮化產量提高

2021-07-27 13:28:56 來源：科技日報

科學家成功破解了中國名茶鐵觀音的基因組，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，發現了影響植株高矮和茶葉產量的兩個功能基因。

茶樹是世界重要的飲料作物，然而其滯后的基因組學研究，限制了利用分子生物學技術對其進行優良性狀的快速選育，如今這一窘境有望被打破。

記者7月25日從福建農林大學獲悉，該校尤民生教授和中國農科院深圳農業基因組研究所張興坦研究員，聯合國內外多家單位的科學家，成功破解了中國名茶鐵觀音的基因組，相關成果近日發表在國際頂級期刊《自然·遺傳學》上。

“研究成果闡述了等位基因在長期無性繁殖過程中應對‘遺傳負荷’的機制和茶樹的群體演化、馴化史。特別是，我們發現的兩個功能基因，極有可能為茶樹植株矮化、產量提高作出貢獻。”尤民生告訴記者。

破譯基因組

弄清茶樹應對“遺傳負荷”秘密

許多重要作物都是無性繁殖，例如茶樹、馬鈴薯和木薯等。無性繁殖可以有效保留親本優良基因型，有利于快速篩選和培育新品種。然而這種繁殖方式容易使作物缺乏遺傳多樣性，從而導致作物更易遭受害蟲和病原菌等有害生物的侵襲，并易積累大量的有害突變，致使農作物對有害生物的抗性和適應環境的能力降低，直接影響重要農藝性狀。“因此，解析無性繁殖作物的基因組信息，對于及時鑒定和清除有害突變，改善作物的抗性和品質至關重要。”尤民生說。

研究選取的基因組測序對象“鐵觀音”是中國十大名茶之一，因茶樹自交不親和、種間頻繁雜交等因素，導致其基因組高度雜合、組裝難度很大。該團隊利用最新技術攻克了高雜合基因組組裝難題，成功獲得了兩個鐵觀音基因組——單倍體參考基因組和單倍體分型基因組。結果顯示，來自父母本的兩套單倍型之間存在大量遺傳變異。

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胞突變（包括有害突變），增加了遺傳負荷，導致其適應性降低。然而，人們對無性繁殖作物如何應對遺傳負荷這一問題知之甚少。

傳統的雜種優勢現象可以由顯性效應和超顯性效應兩種假說解釋：顯性效應指個體傾向于利用有利于生長和發育的優勢等位基因（或顯性基因）而忽略對個體不利的劣勢基因（或隱形基因）；超顯性效應指雜合等位組合在多種生境下優于任一純合等位的現象。

研究結果顯示，在無性繁殖的茶樹基因組中，顯性效應可能是其應對遺傳負荷的重要機制。面對大量積累的體細胞突變或有害突變，長期無性繁殖的茶樹利用優勢等位基因，來應答不斷積累的遺傳負荷，以維持其正常的生長發育和對環境的適應性。

揭示關鍵基因

有望實現植株矮化、產量提高

該團隊在攻克鐵觀音基因組的基礎上，通過對茶樹種群水平的遺傳分析，揭示了該物種的演化和人工馴化歷史。研究人員對161個茶樹品種和15個近緣種大理茶進行重測序分析發現，各茶區存在頻繁的種質基因交流，其中一些與有記錄的茶樹雜交育種歷史相吻合。證據表明，茶樹與近緣種間頻繁的雜交漸滲是其網狀演化和維持茶樹遺傳多樣性的重要因素。此外，人們對大葉茶和小葉茶制品的偏愛有所不同也導致了兩者經歷了平行的馴化歷程。

“該研究成果也為利用組學分析和分子生物學技術挖掘功能基因、解析其背后的遺傳調控機制、開展基因組設計育種，奠定了堅實的理論基礎。”張興坦說。

原來20世紀60年代，大規模推廣矮稈或半矮稈的水稻和小麥品種極大地提高了作物產量，其中控制株高的水稻sd1基因和小麥rht基因，也因其巨大的貢獻被稱為“綠色革命基因”。研究人員發現，茶樹的株高在長期的栽培過程中也受到了馴化，體現在兩個細胞色素P450家族基因（CsDWF4和CsBAS1）受到人工選擇。這兩個基因是油菜素內酯生物合成的關鍵基因，參與植物的光形態建成。

“這兩個基因或能調節植株高矮、茶葉產量。”尤民生表示，在接下來的研究中，他們將利用組學分析和分子生物學技術進一步挖掘兩個基因的功能，積極開展基于大數據驅動的基因組設計育種探索，有效縮短優質茶樹品種育種周期、提高育種效率、降低育種成本。

標簽：中國名茶鐵觀音茶葉產量飲料作物分子生物學技術