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破解铁观音基因组,找到茶叶高产“开关”

来源:科技日报2021-07-27 09:29

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  科学家成功破解了中国名茶铁观音的基因组,还对161个茶树品种和15个近缘种大理茶进行了重测序分析,发现了影响植株高矮和茶叶产量的两个功能基因。

  茶树是世界重要的饮料作物,然而其滞后的基因组学研究,限制了利用分子生物学技术对其进行优良性状的快速选育,如今这一窘境有望被打破。

  记者7月25日从福建农林大学获悉,该校尤民生教授和中国农科院深圳农业基因组研究所张兴坦研究员,联合国内外多家单位的科学家,成功破解了中国名茶铁观音的基因组,相关成果近日发表在国际顶级期刊《自然·遗传学》上。

  “研究成果阐述了等位基因在长期无性繁殖过程中应对‘遗传负荷’的机制和茶树的群体演化、驯化史。特别是,我们发现的两个功能基因,极有可能为茶树植株矮化、产量提高作出贡献。”尤民生告诉记者。

  破译基因组

  弄清茶树应对“遗传负荷”秘密

  许多重要作物都是无性繁殖,例如茶树、马铃薯和木薯等。无性繁殖可以有效保留亲本优良基因型,有利于快速筛选和培育新品种。然而这种繁殖方式容易使作物缺乏遗传多样性,从而导致作物更易遭受害虫和病原菌等有害生物的侵袭,并易积累大量的有害突变,致使农作物对有害生物的抗性和适应环境的能力降低,直接影响重要农艺性状。“因此,解析无性繁殖作物的基因组信息,对于及时鉴定和清除有害突变,改善作物的抗性和品质至关重要。”尤民生说。

  研究选取的基因组测序对象“铁观音”是中国十大名茶之一,因茶树自交不亲和、种间频繁杂交等因素,导致其基因组高度杂合、组装难度很大。该团队利用最新技术攻克了高杂合基因组组装难题,成功获得了两个铁观音基因组——单倍体参考基因组和单倍体分型基因组。结果显示,来自父母本的两套单倍型之间存在大量遗传变异。

  铁观音距今已有约300年的栽培历史,长期的无性繁殖积累大量体细胞突变(包括有害突变),增加了遗传负荷,导致其适应性降低。然而,人们对无性繁殖作物如何应对遗传负荷这一问题知之甚少。

  传统的杂种优势现象可以由显性效应和超显性效应两种假说解释:显性效应指个体倾向于利用有利于生长和发育的优势等位基因(或显性基因)而忽略对个体不利的劣势基因(或隐形基因);超显性效应指杂合等位组合在多种生境下优于任一纯合等位的现象。

  研究结果显示,在无性繁殖的茶树基因组中,显性效应可能是其应对遗传负荷的重要机制。面对大量积累的体细胞突变或有害突变,长期无性繁殖的茶树利用优势等位基因,来应答不断积累的遗传负荷,以维持其正常的生长发育和对环境的适应性。

  揭示关键基因

  有望实现植株矮化、产量提高

  该团队在攻克铁观音基因组的基础上,通过对茶树种群水平的遗传分析,揭示了该物种的演化和人工驯化历史。研究人员对161个茶树品种和15个近缘种大理茶进行重测序分析发现,各茶区存在频繁的种质基因交流,其中一些与有记录的茶树杂交育种历史相吻合。证据表明,茶树与近缘种间频繁的杂交渐渗是其网状演化和维持茶树遗传多样性的重要因素。此外,人们对大叶茶和小叶茶制品的偏爱有所不同也导致了两者经历了平行的驯化历程。

  “该研究成果也为利用组学分析和分子生物学技术挖掘功能基因、解析其背后的遗传调控机制、开展基因组设计育种,奠定了坚实的理论基础。”张兴坦说。

  原来20世纪60年代,大规模推广矮秆或半矮秆的水稻和小麦品种极大地提高了作物产量,其中控制株高的水稻sd1基因和小麦rht基因,也因其巨大的贡献被称为“绿色革命基因”。研究人员发现,茶树的株高在长期的栽培过程中也受到了驯化,体现在两个细胞色素P450家族基因(CsDWF4和CsBAS1)受到人工选择。这两个基因是油菜素内酯生物合成的关键基因,参与植物的光形态建成。

  “这两个基因或能调节植株高矮、茶叶产量。”尤民生表示,在接下来的研究中,他们将利用组学分析和分子生物学技术进一步挖掘两个基因的功能,积极开展基于大数据驱动的基因组设计育种探索,有效缩短优质茶树品种育种周期、提高育种效率、降低育种成本。(记者 谢开飞 通讯员 曹佳奕)

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