安徽農業大學發表全球茶學領域首篇The Plant Cell論文

近日，安徽農業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》在線發表了題爲“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同調控茶樹香氣品質與抗寒的新機制，爲其他園藝作物品質與抗性的協同演化與調控提供新思路。據悉，該論文也是全球茶學領域發表的首篇The Plant Cell論文。

茶樹是我國重要的經濟作物。乾旱、低溫等非生物脅迫嚴重影響茶葉的品質與產量。研究發現，茶樹基因組在大約3000萬年前發生過一次近期的全基因組加倍事件，導致諸如糖基轉移酶（UGTs）等與茶葉品質和抗逆性相關的基因家族在茶樹中發生快速擴增，然而目前尚未有關於茶樹UGTs基因加倍後功能分化影響茶葉品質和抗逆性的報道。

爲此，該研究以28個代表性植物的基因組爲切入點，在系統鑑定UGT的基礎上，首先探索了茶樹UGTs的擴增模式。研究發現，UGTs在茶樹譜系中發生特異性地擴張和收縮。茶樹中UGTs家族成員衆多，共包含297個拷貝。根據其結構和底物偏好性可分爲18個亞家族（A-R），其中UGT76隸屬於H亞家族，該亞家族在不同茶樹品種中呈現顯著收縮的狀態，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，暗示着H亞家族在茶樹中仍保留了其它植物中保守的抗病功能（圖1）。

圖1. 茶樹中特異性收縮的H亞家族參與茶樹抗病

與H亞家族不同，UGT85隸屬於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蔔素等底物上表現出特定的偏好性。研究發現，茶樹G亞家族的UGTs可進一步劃分爲3種類型（Ⅰ-Ⅲ），其中II和III型的UGTs在茶樹全基因組重複和串聯重複事件驅動下發生顯著擴增，之後經歷了功能分化。如G亞家族II型代表成員UGT85A53（II-2）和UGT1（II-3）爲重複基因，二者均能糖基化香葉醇等揮發性化合物，但對激素底物的選擇發生了分化。主要表現爲，UGT85A53的糖基化底物爲脫落酸（ABA），而UGT1並未表現出對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複基因UGT85A53和 UGT1分別通過正、負調控的方式調控茶樹的抗寒和抗旱性。

圖2. 糖基轉移酶G亞家族Ⅱ中UGTs的功能分化

研究還進一步對野生型茶樹（DASZ）和栽培茶樹（‘雲抗10號’和‘舒茶早’）的UGTs進行了比較分析，發現茶樹G亞家族III-1爲茶樹‘舒茶早’品種特有分支。遺傳多樣性分析進一步發現，該分支中的許多UGTs經歷了人工選擇。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出分化。進一步功能實驗發現，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（圖3），進一步證明G亞家族III中受人工選擇的UGTs表現出抗寒性保守而抗旱性分化的功能差異。這些發現不僅爲揭示了馴化過程中UGTs協同調控茶樹香氣品質與抗寒性的全新機制，也爲其他園藝作物香氣品質與抗性的協同選擇提供新思路。

圖3. 糖基轉移酶G亞家族III中UGTs的功能分化

安徽農業大學爲第一單位與通訊單位，茶樹生物學與資源利用國家重點實驗室博士後王婧銘爲論文第一作者，宋傳奎教授、夏恩華教授和德國慕尼黑工業大學Wilfried Schwab教授爲通訊作者。該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koae268

來源：安徽農業大學