山茶屬（Camellia）是山茶科中包含物種數(shù)最多，也最具經(jīng)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(chǎn)及觀賞花卉上有著極其重要的應(yīng)用。山茶屬植物野生資源豐富，其蘊含豐富多樣的茶葉品質(zhì)形成密切相關(guān)的特征性次生代謝物和優(yōu)異基因資源是培育優(yōu)質(zhì)、高抗、多元化茶樹新品種的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。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(guān)系及特征性次生代謝產(chǎn)物的演化規(guī)律尚未獲得清晰的認(rèn)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(guān)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(gòu)建了包含89,394個基因家族的山茶屬植物泛轉(zhuǎn)錄組，并基于從中篩選獲得的405個高質(zhì)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(guān)系（圖1）。結(jié)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(guān)系較近，其屬下各組的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)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(jié)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(fù)事件，并導(dǎo)致大量與茶樹抗逆性和次級代謝合成的轉(zhuǎn)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(zhì)形成密切相關(guān)的特征性次生代謝物。進一步對次生代謝通路關(guān)鍵基因的表達(dá)模式進行分析發(fā)現(xiàn)，UGT84A、F3'5'H、SCPL1A、GDH、TCS、IMPDA等關(guān)鍵基因在茶組植物中顯著高表達(dá)，且與次生代謝產(chǎn)物的積累模式顯著正相關(guān)（圖4）。

 

　　相關(guān)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(xué)權(quán)威學(xué)術(shù)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(nóng)業(yè)大學(xué)茶樹生物學(xué)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(nóng)業(yè)大學(xué)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(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金等項目經(jīng)費資助。

 

　　本文的在線地址鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.15799