茶是中國(guó)傳統(tǒng)文化中重要的元素,也是中國(guó)出口世界最多的農(nóng)產(chǎn)品之一。數(shù)千年前,中國(guó)人就開(kāi)始馴化、栽培、飲用茶葉,到今天,茶已經(jīng)是全球消費(fèi)量最大的飲品之一,世界茶飲料消費(fèi)人口占總?cè)丝诒嚷室殉^(guò)三分之二。
那么,在過(guò)去數(shù)千年中,茶樹(shù)是如何進(jìn)化的呢?近日,科學(xué)家茶樹(shù)全基因組組裝和茶樹(shù)起源演化研究上取得重要突破,組裝了“龍井43”染色體級(jí)別的基因組,并揭示了栽培茶樹(shù)的進(jìn)化歷史。該研究由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所和深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所主導(dǎo),攜手中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所及云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所等單位共同完成。
龍井43。農(nóng)科院供圖
茶樹(shù)進(jìn)化史,越來(lái)越好喝
人類(lèi)馴化茶樹(shù)的具體時(shí)間已不可考,此前茶樹(shù)的起源也有多種說(shuō)法,但隨著研究的深入,一些爭(zhēng)議逐漸消失。中國(guó)農(nóng)科院茶葉所研究員王新超介紹,“茶樹(shù)的起源,目前科學(xué)界大部分都認(rèn)為是中國(guó)。此前有印度起源說(shuō),但隨著科學(xué)家們?cè)谖覈?guó)西南地區(qū)茶樹(shù)野生近緣種的發(fā)現(xiàn),這一說(shuō)法很難再站住腳。因?yàn)樵谥袊?guó)發(fā)現(xiàn)了大量茶樹(shù)的野生近緣種,所以普遍認(rèn)為起源于中國(guó)?!?/p>
茶樹(shù)的野生近緣種,也就是茶樹(shù)的祖先,在長(zhǎng)期的進(jìn)化和傳播過(guò)程中,進(jìn)行了兩個(gè)方向的分化。王新超介紹,一種是大葉種茶樹(shù),一種是中小葉種茶樹(shù),在被人類(lèi)不斷馴化的過(guò)程中,兩類(lèi)茶樹(shù)種群逐漸分化出不同的特征?!爸行∪~種茶在長(zhǎng)期馴化過(guò)程中,與茶葉風(fēng)味相關(guān)的萜烯類(lèi)代謝基因和抗病相關(guān)基因的強(qiáng)化選擇,表現(xiàn)的更為突出。也就是說(shuō),那些控制香氣合成的基因更豐富,所以中小葉種茶制作的綠茶、烏龍茶等香氣更加多樣。相應(yīng)的,大葉種茶則更適合制作紅茶。”
在馴化過(guò)程中,不同茶樹(shù)還出現(xiàn)了區(qū)域分化,王新超說(shuō),“大葉種茶主要分布在南方,是因?yàn)樗目购陨圆?。中小葉種茶的抗寒性更好,所以分布的區(qū)域更廣泛,南北都有”。
總體來(lái)說(shuō),數(shù)千年的馴化、栽培、選育使得茶葉的風(fēng)味越來(lái)越適合人類(lèi)的口味,“從古至今,技術(shù)一直在進(jìn)步,茶葉的風(fēng)味、口味也越來(lái)越好”。
基因重測(cè)序,發(fā)現(xiàn)茶樹(shù)秘密
在新中國(guó)茶葉育種歷史中,龍井43是一個(gè)重要的品種。王新超介紹,“龍井43是當(dāng)前種植面積最廣的無(wú)性繁殖茶樹(shù)之一,全國(guó)有超過(guò)300萬(wàn)畝的種植面積。該母本于1960年發(fā)現(xiàn),到今年正好60年?!?/p>
龍井43具有發(fā)芽早、質(zhì)量高、口感好、抗逆性強(qiáng)等特征,這使得它的適應(yīng)性非常強(qiáng)。早在1978年,該品種就獲得過(guò)全國(guó)科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng),1987年,正式通過(guò)國(guó)家品種認(rèn)定。
此次,研究團(tuán)隊(duì)以龍井43為材料,結(jié)合團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)的技術(shù),完成了染色體級(jí)別的基因組組裝。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),“龍井43”的基因,與抗病、風(fēng)味代謝等相關(guān)的基因家族發(fā)生了擴(kuò)張現(xiàn)象,和抗逆相關(guān)的基因也發(fā)生了正向變化,這也是它品質(zhì)好、抗性強(qiáng)的原因。
龍井43。農(nóng)科院供圖
在此基礎(chǔ)上,科學(xué)家們還對(duì)來(lái)自世界不同國(guó)家和地區(qū)的139份有代表性的茶樹(shù)材料進(jìn)行了深度重測(cè)序,研究結(jié)果揭示了茶樹(shù)群體的系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系,描繪了栽培茶樹(shù)的進(jìn)化歷史。
研究發(fā)現(xiàn),隨著栽培區(qū)域的擴(kuò)張,茶樹(shù)種群間的雜合性和廣泛的基因流不斷增加,“小葉品種和大葉品種之間的分化,正是來(lái)源于基因的變化”。
茶葉育種技術(shù)的新方向
近年來(lái),隨著分子生物學(xué)的發(fā)展,基因技術(shù)在作物育種中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,但茶樹(shù)因?yàn)槠浔旧淼奶卣鳎趹?yīng)用基因技術(shù)上,起步更晚、應(yīng)用困難更大。
王新超說(shuō),“對(duì)龍井43的基因研究成果,解釋了其質(zhì)優(yōu)、抗逆的分子本質(zhì),而且又是在發(fā)現(xiàn)60周年的時(shí)候,具有紀(jì)念意義。更重要的是,對(duì)茶樹(shù)基因組重測(cè)序的實(shí)現(xiàn),為以后的茶樹(shù)分子設(shè)計(jì)育種提供了豐富的素材和基礎(chǔ)?!?/p>
茶樹(shù)是木本植物,目前主要的育種方法,還以傳統(tǒng)技術(shù)為主,育成一個(gè)新品種,可能需要20年左右,而現(xiàn)代基因技術(shù)應(yīng)用的很少,王新超說(shuō),“完成多個(gè)品種的基因重測(cè)序,發(fā)現(xiàn)了那些控制茶葉風(fēng)味、保健等功能成分的基因,在未來(lái)的育種中,就可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代基因技術(shù)的應(yīng)用,進(jìn)行設(shè)計(jì)育種,加快茶樹(shù)育種的速度,更快地獲得更好的品種”。
據(jù)介紹,該研究得到中國(guó)農(nóng)科院科技創(chuàng)新工程、農(nóng)業(yè)基因組協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目、浙江省茶樹(shù)新品種選育重大科技專(zhuān)項(xiàng)、深圳市基礎(chǔ)研究學(xué)科布局項(xiàng)目、國(guó)家青年拔尖人才支持計(jì)劃和云南省創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目資助。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《自然通訊(Nature Communications)》上。