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破解鐵觀音基因組有望實(shí)現(xiàn)植株矮化產(chǎn)量提高

2021-07-27 13:28:56 來源：科技日?qǐng)?bào)

科學(xué)家成功破解了中國名茶鐵觀音的基因組，還對(duì)161個(gè)茶樹品種和15個(gè)近緣種大理茶進(jìn)行了重測(cè)序分析，發(fā)現(xiàn)了影響植株高矮和茶葉產(chǎn)量的兩個(gè)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(xué)研究，限制了利用分子生物學(xué)技術(shù)對(duì)其進(jìn)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(xué)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(xué)家，成功破解了中國名茶鐵觀音的基因組，相關(guān)成果近日發(fā)表在國際頂級(jí)期刊《自然·遺傳學(xué)》上。

“研究成果闡述了等位基因在長期無性繁殖過程中應(yīng)對(duì)‘遺傳負(fù)荷’的機(jī)制和茶樹的群體演化、馴化史。特別是，我們發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)功能基因，極有可能為茶樹植株矮化、產(chǎn)量提高作出貢獻(xiàn)。”尤民生告訴記者。

破譯基因組

弄清茶樹應(yīng)對(duì)“遺傳負(fù)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(dǎo)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(duì)有害生物的抗性和適應(yīng)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(duì)于及時(shí)鑒定和清除有害突變，改善作物的抗性和品質(zhì)至關(guān)重要。”尤民生說。

研究選取的基因組測(cè)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(dǎo)致其基因組高度雜合、組裝難度很大。該團(tuán)隊(duì)利用最新技術(shù)攻克了高雜合基因組組裝難題，成功獲得了兩個(gè)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(xì)胞突變（包括有害突變），增加了遺傳負(fù)荷，導(dǎo)致其適應(yīng)性降低。然而，人們對(duì)無性繁殖作物如何應(yīng)對(duì)遺傳負(fù)荷這一問題知之甚少。

傳統(tǒng)的雜種優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象可以由顯性效應(yīng)和超顯性效應(yīng)兩種假說解釋：顯性效應(yīng)指?jìng)€(gè)體傾向于利用有利于生長和發(fā)育的優(yōu)勢(shì)等位基因（或顯性基因）而忽略對(duì)個(gè)體不利的劣勢(shì)基因（或隱形基因）；超顯性效應(yīng)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(yīng)可能是其應(yīng)對(duì)遺傳負(fù)荷的重要機(jī)制。面對(duì)大量積累的體細(xì)胞突變或有害突變，長期無性繁殖的茶樹利用優(yōu)勢(shì)等位基因，來應(yīng)答不斷積累的遺傳負(fù)荷，以維持其正常的生長發(fā)育和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。

揭示關(guān)鍵基因

有望實(shí)現(xiàn)植株矮化、產(chǎn)量提高

該團(tuán)隊(duì)在攻克鐵觀音基因組的基礎(chǔ)上，通過對(duì)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(duì)161個(gè)茶樹品種和15個(gè)近緣種大理茶進(jìn)行重測(cè)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(duì)大葉茶和小葉茶制品的偏愛有所不同也導(dǎo)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(xué)分析和分子生物學(xué)技術(shù)挖掘功能基因、解析其背后的遺傳調(diào)控機(jī)制、開展基因組設(shè)計(jì)育種，奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。”張興坦說。

原來20世紀(jì)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(xiàn)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(gè)細(xì)胞色素P450家族基因（CsDWF4和CsBAS1）受到人工選擇。這兩個(gè)基因是油菜素內(nèi)酯生物合成的關(guān)鍵基因，參與植物的光形態(tài)建成。

“這兩個(gè)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(xué)分析和分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)一步挖掘兩個(gè)基因的功能，積極開展基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的基因組設(shè)計(jì)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(biāo)簽：中國名茶鐵觀音茶葉產(chǎn)量飲料作物分子生物學(xué)技術(shù)