红茶、绿茶…揭开茶叶独特风味之谜
文献标题：
Draft genome sequence of Camellia sinensis var. sinensis provides insights into the evolution of the tea genome and tea quality
发表年份：2018.05
发表期刊：Proceedings Of The National Academy Of Sciences Of The United States Of America（JIF2019：9.412）
中国是茶的故乡，是世界上最早发现中国茶树、利用中国茶叶和栽培中国茶树的国家，中国也是世界茶道的宗主国，很多国家都受到中国茶文化的影响。
引言
茶是除水之外世界上最受欢迎的饮料，凭借其提供的许多次生代谢产物，使得茶具有丰富的口感和众多的健康益处。目前栽培茶树的品种主要分为两大类：Camellia sinensis var. sinensis（CSS；中国茶）与 Camellia sinensis var. assamica （CSA；阿萨姆邦类型）， CSS是一种生长较慢的灌木，叶片较小，能够承受较冷的气候，而CSA快速生长，叶片较大，对寒冷天气敏感。在农业实践中，CSS可以在高纬度地区种植，用于优质绿茶生产，而CSA通常加工成红茶。中国目前大多数优质茶树品种（约67％）属于CSS。
茶的丰富口感和各种健康促进功能主要归因于约700种生物活性化合物，其中最主要的是儿茶素、茶氨酸、咖啡因和一些挥发物。尽管最近报道了一个CSA品种基因组的初步草图，但尚未报道CSS基因组。该研究团队在此提供了CSS的高质量基因组草图序列，并提供了有关茶叶如何产生丰富多样的黄酮类化合物和茶氨酸的信息，这些类黄酮和茶氨酸协同产生了茶的丰富的口感和众多的健康益处。
结果与讨论
一、CSS基因组的组装和注释以及与CSA基因组的比较
该研究团队以国家级茶树品种舒茶早（中国种）为材料，用Illumina和PacBio测序技术对其进行测序，采取杂合组装策略，获得了覆盖基因组93%区域的高质量序列草图，注释出33932个高可信度的茶树基因（图1A）。
结果显示，中国种基因组大小为3.1Gb，重复序列含量为64%，基因组组装的完整性和质量远高于现有同类已测序物种组装水平。
图1.茶树基因组景观
通过对共线基因的同义替换率的计算，发现在38-154万年前，CSA和CSS的共同祖先发生了分化（图1B）。
另外，CSA和CSS的同源基因在DNA和蛋白质水平上的平均序列相似性分别为92.4%和93.9%（图1C）。
二、茶叶基因组和次生代谢物相关基因的进化
通过比较茶树与其他10种代表性的植物种类基因组，从茶树基因组鉴定到的15224个候选基因家族中有429个是茶树特有的，其中与茶口感和风味相关的萜烯类、莽草酸酯等相关途径的一些酶类合成基因在茶树基因组中都有所扩增。
图2.茶和其他六种植物中SCPL1A亚基的基因进化
进一步分析推测茶树基因组在90~100百万年前以及30~40百万年前发生了两次全基因组复制事件，大多数次生代谢相关基因在物种进化完成后逐渐增多。
以酰基转移酶基因家族1A亚组的丝氨酸羧肽酶类酰基转移酶（SCPL1A）基因家族为例，通过对来自七种植物的编码SCPL1A基因进行比较基因组分析，构建相邻进化树（图2A），发现该家族在茶树中有22个成员，远多于葡萄的11个、拟南芥的19个、白杨的8个，另外，茶树中的4个是随着30~40百万年前全基因组复制事件产生的，而14个则是近期的二次复制产生的茶树特有的成员。
表达模式分析显示大多数的SCPL1A基因在茶树酯型儿茶素积累较多的芽叶和幼叶中表达较高（图2B）。
图3.儿茶素生物合成关键基因的进化和表达
转录组和代谢物相关性分析表明，这14个茶特异性SCPL基因的组织表达模式与EGCG和ECG的积累高度相关（图3A和B）。表明这些次级产物相关基因的基因复制和表达动力学可能是茶叶中没食子酰基化儿茶素高产的原因，因此可能在决定茶叶口感中起主要作用。
此外，研究发现CHS、DFR、ANS、ANR和SCPL基因家族成员的表达模式与许多转录因子的表达模式密切相关，通过对茶树的全基因组、转录组和代谢组的数据进行分析，发现儿茶素的生物合成受到复杂的转录调控，许多类型的转录因子甚至包括逆境响应的转录因子都参与到基因的调节（图3C）。
图4.茶氨酸生物合成途径中的关键基因
本研究获得了5个GS基因，植物中的GS基因可以分为GSI和GSII两种类型，聚类分析发现茶树中GSI型蛋白CsGSI与假单胞菌的PtGS高度同源，因此作者推测CsGSI很可能就是TS基因，于是重新命名为CsTSI，进一步序列分析、表达模式分析、EA处理分析、异源转基因分析都表明CsTSI具有茶氨酸合成酶活性（图4）。
另外，该研究同样发现茶树中咖啡碱合成途径在进化上独立于可可以及咖啡，而N-甲基转移酶基因的复制是伴随着最近一次的基因复制事件。
结论
（1）通过对CSS的高质量基因组草图序列的分析，该研究团队发现在38-154万年前，CSA和CSS的共同祖先发生了分化，基因共线性分析揭示了茶树基因组分别在30-40百万年前和90-100百万年前出现两轮全基因组复制事件（WGD），这些事件对于次级代谢产物的基因有重要影响，尤其是最近的WGD事件，它产生了许多有助于儿茶素生物合成的基因重复。
（2）研究发现了儿茶素生物合成基因家族成员之间的相关性以及儿茶素的生物合成受到复杂的转录调控，还确定了茶氨酸合成中的关键基因CsTSI。
这些发现首次从基因组层面系统解开了茶叶中富含独特的风味物质之谜。
图文编辑：张浩