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茶樹提供了一個出色的系統(tǒng)，可以研究專門代謝產(chǎn)物的眾多類別，類型和可變含量的演變和多樣化。迄今為止，僅對少量茶樣品進行了非常有限數(shù)量的目標代謝物分析或非目標代謝物分析。沒有針對來自不同茶種群進行無針對性的代謝組學研究。
2020年11月4日，福建農(nóng)林大學劉仁義，楊貞標及中國農(nóng)業(yè)科學院茶葉研究所陳亮共同通訊在Nature Communications 在線發(fā)表題為“Metabolite signatures of diverse Camellia sinensis tea populations”的研究論文，該研究使用從中國136個代表性茶種中采集的鮮葉的轉(zhuǎn)錄組和代謝組學數(shù)據(jù)，研究茶樹的系統(tǒng)發(fā)生群與專門代謝物之間的關(guān)系。
該研究獲得了925,854個高質(zhì)量的單核苷酸多態(tài)性（SNP），從而可以將采樣的茶種細化為五個主要進化枝。每個系統(tǒng)發(fā)生群均包含標志性代謝物。尤其是，CSA茶品的特征是各種類黃酮化合物（例如黃烷醇，黃酮醇單/二糖苷，原花青素二聚體和酚酸）的大量積累。該研究結(jié)果提供了對遺傳和代謝產(chǎn)物多樣性的見解，可用于加速茶樹育種。總之，該研究結(jié)果為茶育種提供了分子和代謝標記，深入了解了茶種群與特殊代謝物之間的關(guān)系，并為闡明茶樹中特殊代謝物的多樣性，高含量和動態(tài)機理奠定了基礎(chǔ)。
植物是特殊代謝產(chǎn)物的豐富來源，這些代謝產(chǎn)物對其生長，發(fā)育和繁殖而言并非必需。根據(jù)化學結(jié)構(gòu)，它們可分為三大類：萜烯，酚醛和含氮化合物。據(jù)估計，植物共同生產(chǎn)了100,000至一百萬種特殊代謝物，任何一種植物都會產(chǎn)生這些代謝物中的5,000至數(shù)萬種。最近的研究還表明，植物物種中新陳代謝存在高水平的定性和定量變化。特異的代謝產(chǎn)物不僅在植物適應(yīng)環(huán)境和抵抗生物和非生物脅迫方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，而且還提供用于治療人類疾病的天然產(chǎn)物，對人類健康和食品質(zhì)量具有重要意義。
在過去的二十年中，引入的小分子藥物中有三分之二以上是植物提取物或其緊密衍生物。由于它們的重要性，人們已經(jīng)通過反向和正向遺傳方法投入了大量精力來進行生物合成的解剖和植物特殊代謝產(chǎn)物的遺傳調(diào)控。特別是，基因組，轉(zhuǎn)錄組學和代謝組學譜數(shù)據(jù)的最新應(yīng)用不僅使探索不同物種之間的代謝物多樣性和同一物種的不同種質(zhì)成為可能，并了解潛在的進化機制。
但是，大多數(shù)已確定的候選代謝量化基因座（mQTL）和調(diào)控因子都缺乏實驗驗證，科學家們?nèi)詿o法回答重要問題，例如：不同物種之間以及同一物種的不同種質(zhì)之間代謝組學多樣性的潛在進化機制是什么？哪些代謝產(chǎn)物負責植物食品的風味？如何在轉(zhuǎn)錄，翻譯和表觀遺傳水平上調(diào)節(jié)植物代謝物？結(jié)構(gòu)相似但截然不同的代謝物的功能作用是什么？
茶樹是解決這些問題的出色模型系統(tǒng)，因為它在所有三種特殊代謝產(chǎn)物中含量高且具有多樣性。茶是最受歡迎的非酒精飲料，并具有許多健康益處，例如抗氧化劑，抗癌藥，抗心血管疾病和抗過敏活性。茶的受歡迎程度還歸因于來自所有三種特殊代謝產(chǎn)物的豐富風味。在茶樹中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)多樣的植物化學物質(zhì)中，黃酮類化合物（如兒茶素）在分子和生物化學上是最好的表征。
茶中的兒茶素是通過苯丙烷和類黃酮途徑合成的，是不同對映異構(gòu)體及其沒食子酸結(jié)合物的混合物。它們在茶葉中含量最高，其中（-）-epigallocatechin-3-gallate（EGCG）是最主要的，也是最具生物活性的。此外，茶樹響應(yīng)于生物和非生物脅迫而合成了無數(shù)的香氣化合物（例如，揮發(fā)性萜烯，脂肪酸衍生物和苯丙烷/苯甲酰苯）。迄今為止，僅對少量茶樣品進行了非常有限數(shù)量的目標代謝物分析或非目標代謝物分析。沒有針對來自不同茶種群進行無針對性的代謝組學研究。
中國可能是茶樹的起源中心，并且是茶樹種植和生產(chǎn)的最多的國家，2017年約占世界總產(chǎn)量的40％。中國有3000多種茶種，中國茶種群的遺傳和代謝產(chǎn)物多樣性在很大程度上代表著世界茶的多樣性?，F(xiàn)代茶品種是從兩個主要茶品種（大葉茶，CSA）及（小葉茶，CSS）的內(nèi)部或之間的雜種衍生而來的。分子標記已用于說明栽培茶種之間的遺傳關(guān)系。為了解決這一差異，需要使用全基因組標記（例如SNP），對大量代表性茶種（尤其是栽培茶種）的遺傳多樣性和種群結(jié)構(gòu)進行綜合評估。
最近，CSA和CSS的基因組草圖已經(jīng)出版，這使得進行全基因組大規(guī)模的組學分析變得可行。茶基因組很大且復(fù)雜（?3.1 GB），包含至少34,000個蛋白質(zhì)編碼基因。與其他大型植物基因組相似，茶基因組的大部分（> 64％）包含各種重復(fù)元件?；蚪M序列不僅提供了涉及三種關(guān)鍵化合物兒茶素，咖啡因和茶氨酸生物合成的基因清單，還提供了與類黃酮生物合成相關(guān)的基因譜系特異性擴增的證據(jù)，而且還有助于揭示代謝物的變異和不同茶種之間的基因表達。CSA和CSS基因組的比較表明，它們的差異在大約38–154萬年前之間，并且對基因共線性的分析表明，茶基因組是由兩輪全基因組重復(fù)產(chǎn)生的。但是，不同茶種之間的遺傳和代謝產(chǎn)物多樣性仍有待探索。
在這里，該研究整合轉(zhuǎn)錄組學和代謝組學分析，以研究主要茶品種之間的種群結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，以及茶代謝產(chǎn)物與種群之間的聯(lián)系。該研究選擇使用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)而不是基因組測序數(shù)據(jù)，因為轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)可以提供足夠數(shù)量的多態(tài)性標記。深度RNA測序正在成為快速分析品種之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系和植物界進化史的重要工具。
該研究綜合分析表明，這些代表性的栽培茶種可分為五個主要組，每個組具有獨特的基因表達和代謝產(chǎn)物特征。該研究結(jié)果為茶育種提供了分子和代謝標記，深入了解了茶種群與特殊代謝物之間的關(guān)系，并為闡明茶樹中特殊代謝物的多樣性，高含量和動態(tài)機理奠定了基礎(chǔ)。
參考消息：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-19441-1
原標題：突破！劉仁義/楊貞標/陳亮首次系統(tǒng)揭示茶樹茶種群的代謝特征
注：資料來源iNature，作者植物君，信息貴在分享，如涉及版權(quán)問題請聯(lián)系刪除
