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破解鐵觀音基因組有望實現(xiàn)植株矮化產(chǎn)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(fā)現(xiàn)了影響植株高矮和茶葉產(chǎn)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(yōu)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(nóng)林大學獲悉，該校尤民生教授和中國農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所張興坦研究員，聯(lián)合國內(nèi)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(fā)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(fā)現(xiàn)的兩個功能基因，極有可能為茶樹植株矮化、產(chǎn)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(yōu)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(nóng)作物對有害生物的抗性和適應環(huán)境的能力降低，直接影響重要農(nóng)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(zhì)至關重要。”尤民生說。

研究選取的基因組測序?qū)ο?ldquo;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(jié)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(tǒng)的雜種優(yōu)勢現(xiàn)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(fā)育的優(yōu)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(yōu)于任一純合等位的現(xiàn)象。

研究結(jié)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(yōu)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(fā)育和對環(huán)境的適應性。

揭示關鍵基因

有望實現(xiàn)植株矮化、產(chǎn)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(fā)現(xiàn)，各茶區(qū)存在頻繁的種質(zhì)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(jù)表明，茶樹與近緣種間頻繁的雜交漸滲是其網(wǎng)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(jīng)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(diào)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(guī)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)，茶樹的株高在長期的栽培過程中也受到了馴化，體現(xiàn)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(nèi)酯生物合成的關鍵基因，參與植物的光形態(tài)建成。

“這兩個基因或能調(diào)節(jié)植株高矮、茶葉產(chǎn)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(shù)據(jù)驅(qū)動的基因組設計育種探索，有效縮短優(yōu)質(zhì)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(chǎn)量飲料作物分子生物學技術