本網(wǎng)訊 近日，安徽農(nóng)業(yè)大學茶樹生物學與資源利用國家重點實驗室宋傳奎與夏恩華教授等團隊合作在《The Plant Cell》在線發(fā)表了題為“Evolution and functional divergence of glycosyltransferase genes shaped the quality and cold tolerance of tea plants”的研究論文，揭示了茶樹UGT基因通過功能分化協(xié)同調(diào)控茶樹香氣品質(zhì)與抗寒的新機制，為其他園藝作物品質(zhì)與抗性的協(xié)同演化與調(diào)控提供新思路。據(jù)悉，該論文也是全球茶學領(lǐng)域發(fā)表的首篇The Plant Cell論文。

 

　　茶樹是我國重要的經(jīng)濟作物。干旱、低溫等非生物脅迫嚴重影響茶葉的品質(zhì)與產(chǎn)量。研究發(fā)現(xiàn)，茶樹基因組在大約3000萬年前發(fā)生過一次近期的全基因組加倍事件，導致諸如糖基轉(zhuǎn)移酶（UGTs）等與茶葉品質(zhì)和抗逆性相關(guān)的基因家族在茶樹中發(fā)生快速擴增，然而目前尚未有關(guān)于茶樹UGTs基因加倍后功能分化影響茶葉品質(zhì)和抗逆性的報道。

 

　　為此，該研究以28個代表性植物的基因組為切入點，在系統(tǒng)鑒定UGT的基礎(chǔ)上，首先探索了茶樹UGTs的擴增模式。研究發(fā)現(xiàn)，UGTs在茶樹譜系中發(fā)生特異性地擴張和收縮。茶樹中UGTs家族成員眾多，共包含297個拷貝。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和底物偏好性可分為18個亞家族（A-R），其中UGT76隸屬于H亞家族，該亞家族在不同茶樹品種中呈現(xiàn)顯著收縮的狀態(tài)，特別是在茶樹‘舒茶早’品種中僅保留了一個拷貝（UGTH1）。功能試驗證實該拷貝與茶樹真菌病害的抗性密切相關(guān)，暗示著H亞家族在茶樹中仍保留了其它植物中保守的抗病功能。

 

　　與H亞家族不同，UGT85隸屬于G亞家族。該家族成員通常在糖基化單萜、二萜和脫輔基類胡蘿卜素等底物上表現(xiàn)出特定的偏好性。研究發(fā)現(xiàn)，茶樹G亞家族的UGTs可進一步劃分為3種類型（Ⅰ-Ⅲ），其中II和III型的UGTs在茶樹全基因組重復和串聯(lián)重復事件驅(qū)動下發(fā)生顯著擴增，之后經(jīng)歷了功能分化。如G亞家族II型代表成員UGT85A53（II-2）和UGT1（II-3）為重復基因，二者均能糖基化香葉醇等揮發(fā)性化合物，但對激素底物的選擇發(fā)生了分化。主要表現(xiàn)為，UGT85A53的糖基化底物為脫落酸（ABA），而UGT1并未表現(xiàn)出對ABA或其他激素的糖基化活性，二者對激素底物的選擇差異重塑了重復基因UGT85A53和 UGT1分別通過正、負調(diào)控的方式調(diào)控茶樹的抗寒和抗旱性。

 

　　研究還進一步對野生型茶樹（DASZ）和栽培茶樹（‘云抗10號’和‘舒茶早’）的UGTs進行了比較分析，發(fā)現(xiàn)茶樹G亞家族III-1為茶樹‘舒茶早’品種特有分支。遺傳多樣性分析進一步發(fā)現(xiàn)，該分支中的許多UGTs經(jīng)歷了人工選擇。特別地，III-1代表成員UGT3和III-2代表成員UGT2分別具有糖基化葉綠醇和呋喃酮的活性，表明二者在糖基化香氣底物上表現(xiàn)出分化。進一步功能實驗發(fā)現(xiàn)，UGT2可參與茶樹的抗寒和抗旱，而UGT3僅能參與茶樹的抗寒而非抗旱，進一步證明G亞家族III中受人工選擇的UGTs表現(xiàn)出抗寒性保守而抗旱性分化的功能差異。這些發(fā)現(xiàn)不僅為揭示了馴化過程中UGTs協(xié)同調(diào)控茶樹香氣品質(zhì)與抗寒性的全新機制，也為其他園藝作物香氣品質(zhì)與抗性的協(xié)同選擇提供新思路。

 

　　安徽農(nóng)業(yè)大學為第一單位與通訊單位，我校茶樹生物學與資源利用國家重點實驗室博士后王婧銘為論文第一作者，宋傳奎教授、夏恩華教授和德國慕尼黑工業(yè)大學Wilfried Schwab教授為通訊作者。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目的資助。（文圖/夏恩華 編輯/管震宇 初審/宋傳奎 審核/夏曉昀）

 

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1093/plcell/koae268