山茶屬（Camellia）是山茶科中包含物種數最多，也最具經濟價值的一個屬。該屬植物包含許多代表性物種，例如茶樹（C. sinensis）、茶花（C. japonica）和普通油茶（C. oleifera）等，它們在茶葉和油脂生產及觀賞花卉上有著極其重要的應用。山茶屬植物野生資源豐富，其蘊含豐富多樣的茶葉品質形成密切相關的特征性次生代謝物和優(yōu)異基因資源是培育優(yōu)質、高抗、多元化茶樹新品種的重要物質基礎。然而，該屬植物頻繁的雜交與多倍化，加之缺乏適用于進化分析的基因片段，致使其系統(tǒng)發(fā)育關系及特征性次生代謝產物的演化規(guī)律尚未獲得清晰的認識，一定程度上制約了該屬植物的高效開發(fā)與利用。
近日，院茶葉所吳瓊副研究員發(fā)表了題為“Comparative transcriptomic analysis unveils the deep phylogeny and secondary metabolite evolution of 116 Camellia plants”的研究論文，系統(tǒng)揭示了山茶屬植物系統(tǒng)發(fā)育關系及其特征性次生代謝物的演化規(guī)律。
本研究通過廣泛收集了116種山茶屬植物材料，構建了包含89,394個基因家族的山茶屬植物泛轉錄組，并基于從中篩選獲得的405個高質量低拷貝直系同源核心基因深入解析了山茶屬植物的系統(tǒng)發(fā)育關系（圖1）。結果表明，山茶屬可劃分為7個主要系統(tǒng)分支，茶組為單系，金花茶組為山茶屬的基部類群，紅山茶組分支與油茶組分支親緣關系較近，其屬下各組的系統(tǒng)發(fā)育關系支持茶組與禿茶組、油茶組與短柱茶組、瘤果茶組與半宿萼茶組、毛蕊茶組與連蕊茶組的合并處理。研究結果進一步支持了最新《中國植物志》對廣東禿茶、丹寨禿茶、重慶山茶等物種的修訂。
對山茶屬植物分化時間進一步估算發(fā)現(xiàn)，山茶屬與大頭茶屬約在1430萬年前發(fā)生分化，茶組植物可能起源于667萬年前，栽培茶樹茶變種與阿薩姆變種的分化時間約為149-216萬年前（圖2）。對茶 （C. sinensis），糙果茶 （C. furfuracea），滇山茶 （C. reticulata），普通油茶 （C. oleifera），尖連蕊茶 （C. cuspidata），瘤果茶 （C. tuberculata），凹脈金花茶 （C. impressinervis） 7種代表性山茶屬植物旁系同源基因家族分析發(fā)現(xiàn)，山茶屬植物共同祖先約在2800萬年前發(fā)生過一次最近的全基因組重復事件，并導致大量與茶樹抗逆性和次級代謝合成的轉錄因子家族發(fā)生了顯著擴張（圖3）。
為了進一步探究山茶屬植物特征性次生代謝物的演化規(guī)律，研究還對116種山茶屬植物的兒茶素類化合物、茶氨酸和咖啡堿含量進行了測定。研究發(fā)現(xiàn)，山茶屬植物特征性次生代謝物含量豐富、類型多樣。相比非茶組植物，茶組植物傾向于積累高含量的兒茶素類化合物、咖啡堿和茶氨酸等與茶葉品質形成密切相關的特征性次生代謝物。進一步對次生代謝通路關鍵基因的表達模式進行分析發(fā)現(xiàn)，UGT84A、F3'5'H、SCPL1A、GDH、TCS、IMPDA等關鍵基因在茶組植物中顯著高表達，且與次生代謝產物的積累模式顯著正相關（圖4）。
相關研究以“Comparative transcriptomic analysis unveils the deep phylogeny and secondary metabolite evolution of 116 Camellia plants”為題發(fā)表在國際植物學權威學術期刊《The Plant Journal》（中科院一區(qū)，2022年影響因子6.417）。院茶葉所吳瓊副研究員、安徽農業(yè)大學茶樹生物學與資源利用國家重點實驗室童偉副教授為論文并列第一作者，夏恩華教授為通訊作者。茶葉所王文杰研究員、安徽農業(yè)大學宛曉春、張正竹、鄧威威教授等人參與了該研究。研究受到國家自然科學基金、安徽省自然科學基金等項目經費資助。
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