茶樹生物學“十三五”進展及 “十四五”發展方向

夏恩華 韋朝領 宛曉春

摘要：簡要總結了茶樹生物學領域“十三五”期間取得的主要進展，分析了存在的問題，提出了該領域“十四五”期間的發展方向，為茶樹基礎生物學研究提供參考。

關鍵詞：茶樹;生物學;“十三五”;進展;“十四五”;發展方向

Tea Plant Biology Progress during the 13th

Five-Year Plan Period and Development

Direction in the 14th Five-Year Plan Period

XIA Enhua， WEI Chaoling， WAN Xiaochun*

State Key Laboratory of Tea Plant Biology and Utilization， Anhui Agricultural University， Hefei 230036， China

Abstract： A brief summary of the main progress in the field of tea plant biology during the "13th Five-Year Plan"

period was made. Analysis of existing problems， and the development direction during the "14th Five-Year Plan"

period were presented to provide references for the research of basic tea plant biology.

Keywords： tea plant， biology， the 13th Five-Year Plan， progress， the 14th Five-Year Plan， development direction

茶樹是山茶科（Theaceae）山茶屬（Camellia）

茶組植物，富含茶氨酸、兒茶素、咖啡堿等特征性次生代謝物，是我國重要的經濟作物。茶樹生物學的研究內涵主要是以茶樹為研究對象，綜合運用植物遺傳學、生理學、生物化學、分子生物學和組學等學科的理論與技術，通過挖掘關鍵基因，解析生化功能，揭示分子機理，構建調控網絡，為認識茶樹生命規律及發展未來茶葉科技提供科學指導。科技創新是產業高質量發展的核心驅動力，茶產業的發展離不開茶科技的賦能，其中加強茶樹基礎生物學研究是關鍵。近5年來，以產業發展需求為導向，我國茶葉工作者凝心聚力，在茶樹基礎生物學研究上取得了可喜的成績，特別是在茶樹基因組解析、重要功能基因分離克隆、次生代謝產物合成/調控及其生理功能、抗逆新機制解析等領域取得了重要進展。本文簡要回顧了“十三五”期間我國茶樹生物學領域的成就，并提出今后該領域的可能發展方向，為茶樹生物學研究提供參考。

一、“十三五”期間主要研究進展

1. 解析茶樹及其野生近緣種基因組

茶樹（Camellia sinensis）分為狹義和廣義兩種。狹義上的茶樹主要指的是廣泛種植的栽培茶樹茶原變種（C. sinensis var. sinensis）與阿薩姆變種（C. sinensis var. assamica）[1]。廣義上指的是山茶屬之茶組植物（section Thea），共計12種，除栽培型茶樹原變種與阿薩姆變種外，還有許多諸如大理茶（C. taliensis）、厚軸茶（C. crassicolumna）等茶樹的野生近緣種。“十三五”期間，我國涉茶高校和科研院所在茶樹基因組研究領域取得了系列進展，推動茶樹功能基因組學、茶樹起源和遺傳多樣性、茶葉特征性次生代謝物形成機理等重大基礎生物學問題的研究，促進了世界對茶的認識、傳播和利用。

（1）解析了茶樹阿薩姆變種的基因組

茶樹阿薩姆變種是我國西南地區及周邊國家的主要栽培型茶樹，屬喬木型，葉大，適制紅茶和普洱茶。2017年6月，中國科學院昆明植物研究所高立志團隊以云抗10號茶樹品種為材料，解析了栽培茶樹阿薩姆變種的參考基因組，開啟了茶樹基因組學研究的序幕[2]。研究發現，茶樹阿薩姆種基因組大小約為3.02 Gb，重復序列含量極高，約占整個基因組的80.90%，其中LTR轉座子長期緩慢擴增是導致茶樹基因組變大的主要原因。茶樹基因組近期曾經發生過一次全基因組重復事件，并且通過顯著性地擴增與黃酮、萜類物質生物合成及抗病基因來影響其兒茶素含量分布、茶葉風味和茶樹的全球生態適應性。研究還對25種山茶屬代表性植物的兒茶素類化合物、茶氨酸和咖啡堿含量進行測定發現，茶組植物和非茶組植物在兒茶素類化合物和咖啡堿含量上差異明顯;進一步基因表達和進化分析表明，兒茶素類化合物代謝通路和咖啡堿代謝通路基因的表達模式和序列變異可能是造成該現象的主要原因，與茶葉的品質和適制性密切相關。

（2）解析了茶樹原變種的基因組

茶樹原變種是目前栽培最為廣泛的茶樹類型，具有葉小、分布廣、適制性高等特點。2018年3月，安徽農業大學宛曉春團隊以舒茶早為材料破譯了茶樹原變種的基因組[3]。通過比較基因組學分析發現，栽培茶樹與獼猴桃的物種分化時間大約發生在8 000萬年前，茶樹原變種與阿薩姆變種的物種分化時間發生在38萬～154萬年前。與阿薩姆變種類似，茶樹原變種基因組近期曾發生過一次全基因組重復事件，且該事件及后續串聯復制導致了大多數次生代謝相關基因拷貝數顯著擴增。研究還首次發現并證實了一個參與茶氨酸合成的關鍵酶基因（CsTSI）具有體外合成茶氨酸的酶活性。中國農業科學院茶葉研究所陳亮團隊和安徽農業大學宛曉春團隊還分別對茶樹舒茶早基因組組裝的連續性和基因注釋的完整性進行了提升，獲得了茶樹全基因組重復事件對茶葉品質和抗性形成深入的認識[4-5]。

2020年4月，宛曉春團隊進一步以舒茶早為材料，利用單分子測序和染色體構象捕獲技術，獲得染色體級別的茶樹原變種參考基因組序列，與前期報道的茶樹基因組草圖相比，該基因組組裝的準確性與完整性都得到極大的提升[6]。基于高質量的茶樹參考基因組序列，研究發現茶樹基因組高含量的重復序列不僅是其基因組龐大的主要原因，而且還可通過內含子插入使得基因平均長度增加和部分重復基因的功能發生分化。該研究還通過對國內外81份代表性茶樹樣品進行深度測序，構建了首張代表性栽培型和野生型茶樹的基因組變異圖譜，發現所選取樣品被清晰地分為阿薩姆類型、中國種類型和野生類型;來自國內不同地區的茶樹遺傳多樣性研究結果支持了我國茶樹的西南起源假說，同時鑒定得到一些與茶葉品質和茶樹抗逆性密切相關的候選馴化基因，為我國未來茶樹優異種質資源的科學保護、茶樹重要農藝性狀基因發掘、茶葉健康功效成分開發利用和遺傳育種研究提供了高質量數據資源和理論依據。

2020年4月，以碧云為材料，華南農業大學高立志團隊獲得了茶樹原變種碧云染色體級別的參考基因組[7]。該研究通過系統鑒定茶樹全基因組范圍內的轉座子，繪制了茶樹基因組重復序列的全景圖，發現茶樹原變種和阿薩姆種基因組中LTR逆轉錄轉座子經歷了較為相似的進化歷史。與長期而緩慢進化的LTR逆轉錄轉座子Ty1-copia超家族不同的是，Ty3-gypsy超家族的少數家族（如Tat 和Tekay）近100萬年的快速擴增是茶樹基因組變大的主要驅動力。該研究還發現非自治 LTR 逆轉錄轉座子的迅速崛起主要是通過競爭性地利用同家族自治的 LTR 逆轉錄轉座子的逆轉錄酶來完成轉座和擴增的這一有趣現象，為今后深入認識植物LTR逆轉錄轉座子的起源、變異、進化提供了新的思路。

2020年9月，中國農業科學院茶葉研究所楊亞軍團隊以龍井43為材料，利用自主開發的三代組裝軟件WTDBG結合Hi-C等技術，獲得了茶樹原變種龍井43約3.26 Gb的參考基因組，注釋得到33 556個高質量的蛋白編碼基因[8]。研究發現，大量與茶樹抗病、風味代謝和自交不親和相關的基因家族在龍井43基因組中發生了顯著擴張，且與抗逆等相關基因受到強烈的正選擇。以高質量的龍井43基因組為切入點，該研究還對來自世界不同國家和地區的共計139份代表性茶樹材料進行了深度重測序，系統構建了栽培茶樹的群體結構及其進化歷史。發現茶樹栽培區域的擴張和引種馴化顯著增加了茶樹種群間的雜合性和基因流;揭示了茶樹原變種和阿薩姆變種在馴化過程中的選擇方向存在差異;相比阿薩姆變種，茶樹原變種中與風味相關的萜烯類代謝基因和抗病基因在馴化過程中更傾向于受到強烈的選擇。

2021年5月，以烏龍茶適制品種黃棪為材料，福建農林大學葉乃興團隊利用第三代單分子測序技術結合ALLHiC算法，獲得茶樹原變種黃棪二倍體染色體級別基因組與單體型染色體級別基因組[9]。研究發現，烏龍茶品種黃棪與舒茶早和龍井43品種之間存在廣泛的結構變異，包含大量諸如萜烯類合成酶等與香氣途徑相關的基因，可能與黃棪的高香品種特性有關。此外，福建農林大學劉仁義、楊貞標團隊聯合中國農業科學院茶葉研究所陳亮團隊還利用136個代表性茶樹資源的轉錄組和代謝組學數據，深入研究了茶樹種群與特殊代謝物之間的關系，為闡明茶樹中特殊代謝物的多樣性形成機理奠定了基礎[10]。

（3）解析了栽培茶樹野生近緣種的基因組

2020年7月，以采自云南保山深山中的一株野生茶樹為材料，華中農業大學聞瑋瑋團隊完成了首個高質量染色體級別的茶樹野生近緣種DASZ基因組[11]。研究發現，相比舒茶早基因組，DASZ基因組注釋出更多的R基因，可能與其抗逆性密切相關。利用來源于中國16個省份共計217份茶樹種質資源的轉錄組數據，研究還揭示了中國茶樹育種中存在諸如福鼎大白茶和鐵觀音等數個骨干親本;茶樹種質資源間基因交流頻繁，遺傳多樣性豐富。鑒定出176個與茶樹兒茶素類化合物生物合成顯著關聯的遺傳變異位點和關鍵基因。選擇性清除分析發現，古茶樹和栽培種在遺傳和代謝水平上并未顯著分化，暗示著茶樹在風味品質上可能未受到長期定向的人工選擇。此外，該團隊還通過單精子測序技術構建了福鼎大白茶品種的全基因組單體型，為茶樹和其他多年生木本植物的群體遺傳分析、品種選育以及基因表達調控研究提供了新的思路[12]。

（4）構建了茶樹基因組及生物信息學相關數據庫

隨著茶樹基因組序列的公布，大量與茶葉品質形成及茶樹生長生理相關的數據呈指數式增長，如何有效整合并加以利用這些數據，以促進茶樹重大基礎生物學問題的解決，是當前茶葉工作者面臨的主要問題。為此，以茶樹基因組圖譜為框架，“十三五”期間先后構建了TPIA（Tea plant information archive）[13]、TeaPGDB（Tea plant genome database）[14]茶樹基因組數據庫。以茶葉代謝和健康功效數據為基礎，分別構建了TMDB（Tea metabolome database）[15]、TBC2health[16]、TBC2target[17]數據庫。此外，茶樹可變剪切數據庫TeaAS（Tea alternative splicing database）[18]近期也上線運行。茶樹基因組及相關生物信息學數據庫的搭建與開放運行，不僅有助于推動茶樹功能基因組學、進化生物學和群體遺傳學等研究，而且將進一步促進茶學基礎研究領域的國際交流與合作。

2. 克隆了一批與茶葉品質和茶樹抗性相關的功能基因

（1）克隆了茶氨酸合成的關鍵基因CsTSI

茶氨酸是茶樹特征性非蛋白質氨基酸，是茶樹新梢芽葉中游離氨基酸的主要組成成分，占茶葉干重的1%～2%，決定茶葉鮮爽味，具有松弛神經、減輕焦慮、增強免疫力等健康功效[19]。為了揭示茶氨酸的合成機理，研究人員在解析茶樹原變種基因組的基礎上，鑒定出1個控制茶樹茶氨酸生物合成的關鍵酶基因CsTSI（Theanine synthetase）[3]。該基因為谷氨酰胺合成酶II型，編碼848個氨基酸，與腐臭假單胞菌（Pseudomonas taetrolens）的GS（Glutamine synthetase）基因序列高度相似。通過表達模式分析、乙銨誘導處理、轉基因等實驗均證明了CsTSI具有體外合成茶氨酸的酶活性。CsTSI基因的克隆不僅為培育高茶氨酸茶樹品種提供了一個重要新基因，也為揭示茶樹茶氨酸調控的分子機制提供了新線索。

（2）克隆了苦茶堿合成關鍵基因CkTcS

咖啡堿是成茶的主要苦味物質，在茶樹體內主要通過“黃嘌呤核苷→7-甲基黃嘌呤核苷→7-甲基黃嘌呤→可可堿→咖啡堿”代謝途徑合成。咖啡堿具有興奮神經、祛除疲勞及增加心血管系統活動等健康功效，但攝入過量咖啡堿會引起一定的副作用[20]。因此，研究茶樹咖啡堿代謝途徑及其分子機理，培育低咖啡堿茶樹新品種具有重要意義。咖啡堿與苦茶堿具有高度相似的化學結構。研究表明，咖啡堿可在諸如苦茶等稀有茶樹中發生C8氧化和N9位置的甲基化修飾轉化為苦茶堿[21]，但催化N9的甲基化酶和C8的氧化酶目前尚未報道。研究人員從普洱茶和苦茶中分離并克隆了一個控制茶樹苦茶堿生物合成的重要基因CkTcS（Theacrine synthase）[22]。該基因具有N9-甲基轉移酶活性，可利用1，3，7-三甲基尿酸而不是咖啡堿作為底物合成苦茶堿，證實咖啡堿的C8氧化發生在N9甲基化之前。CkTcS復合物的晶體結構解析進一步驗證了R226、I241和C270是影響CkTcS N9-甲基轉移活性的關鍵氨基酸殘基。CkTcS基因的克隆為今后培育富含苦茶堿茶樹新品種或通過微生物發酵合成苦茶堿奠定重要理論基礎。

（3）克隆了芳樟醇/橙花叔醇合成關鍵基因CsLIS/NES

芳樟醇和橙花叔醇是決定茶葉花甜香的關鍵物質。研究人員以高香茶樹良種龍門香為材料，利用RT-PCR和染色體步移技術，克隆獲得了控制茶樹芳樟醇/橙花叔醇合成的關鍵基因CsLIS/NES（Linalool/nerolidol synthase）[23]。該基因屬茶樹萜烯類合成酶基因，在茶樹葉片和花中，可通過可變剪切形成全長（CsLIS/NES-1）和斷頭（CsLIS/NES-2）兩個轉錄本，其蛋白產物分別定位于葉綠體和細胞質，前者催化芳樟醇的生物合成，而后者催化橙花叔醇的生物合成。研究還進一步發現，與植物中普遍存在的可變剪切轉錄本往往會發生功能喪失不同的是，茶樹CsLIS/NES的2個可變轉錄本不僅功能沒有喪失，而且表現出差異的時空表達特征。全長轉錄本在花中表達遠低于斷頭轉錄本，但其表達水平受到茉莉酸甲酯等逆境信號物質的強烈誘導。CsLIS/NES基因的克隆對增進茶葉香氣品質的定向育種、栽培和加工技術具有重要的指導意義。

（4）克隆了參與茶樹單寧化合物水解的關鍵基因CsTA

茶樹積累高含量的單寧化合物，它們與茶葉風味品質和健康功效密切相關。長期以來，調控茶樹單寧化合物合成及水解的關鍵基因未有報道，是學界關注的焦點。研究人員以舒茶早為材料，利用多種酶純化手段結合質譜分析，分離并克隆了1個參與茶樹單寧化合物水解的關鍵基因CsTA（Tannase）[24]。該基因屬于單寧酰基水解酶家族，普遍存在于柿子、葡萄、草莓等富含單寧的植物中。基因功能實驗證實它們參與調控酯型兒茶素、沒食子單寧和鞣花單寧的代謝。研究還發現不同于微生物的單寧酶基因，植物的單寧酶基因具有獨立的進化起源。茶樹單寧酶CsTA基因的發現和克隆為茶樹等富含單寧化合物的園藝作物品質調控和優良品種選育提供了理論依據。

此外，“十三五”期間，大量諸如CsGS2[25]、AlaDC[26]、CBF[27]、CsWRKY2[28]等與茶葉品質和抗性相關的基因也相繼克隆。這些基因的克隆對深入認識茶樹重要農藝性狀形成的遺傳基礎具有重要意義，同時也為通過遺傳改良培育優質、高產、多抗的茶樹新品種提供了重要靶點。

3. 初步揭示茶樹次生代謝的遺傳調控網絡

（1）茶樹黃酮類化合物的分子調控網絡解析

黃酮類化合物是廣泛分布于植物界的次生代謝產物，主要包括查爾酮、黃酮、黃酮醇、黃烷雙醇、花青素、縮合單寧及其他衍生物，其中花青素和黃酮醇是茶樹器官著色和苦澀味的主要呈味物質，與茶葉品質和健康功效密切相關，是“十三五”期間茶樹類黃酮化合物關注的熱點。

花青素是許多紅紫芽茶樹品種（如紫娟）器官著色的主要物質，因其具有抗氧化、抗紫外和預防疾病發生等眾多健康功效，其生物合成和調控備受學界關注。關于茶樹花青素生物合成相關基因的分離與克隆已取得一定進展，但是對其調控機制的認識仍然有限。研究表明，大多數植物花青素的生物合成主要通過MYB-bHLH-WD40復合體進行調控[29]。Wei等[30]以茶樹典型紫化品種紫娟為材料，利用QTL定位和轉錄組測序等手段，克隆了參與紫娟茶樹品種花青素調控的關鍵基因CsMYB75和CsGSTF1。煙草過表達CsMYB75基因能夠激活CsGSTF1基因的表達，證實CsGSTF1可參與茶樹花青素苷的液泡轉運。Jiang等[31]從茶樹轉錄組中鑒定并克隆了CsMYB5a和CsMYB5e基因。Li等[32]從龍井43中分離克隆了CsMYB4a基因，發現CsMYB4a可以結合CsC4H、Cs4CL、CsCHS、CsLAR和CsANR2基因的啟動子，調控茶樹花青素的積累。研究還發現茶樹花青素的生物合成亦受到DNA甲基化的調控，紫娟茶樹品種的CsAN1基因啟動子的甲基化程度與其花青素含量存在一定聯系，CsAN1基因啟動子低甲基化水平會導致紫娟芽葉中花青素的大量積累[33]。

茶樹中的黃酮醇類物質占干重的3%～4%，多以糖苷形式存在。與兒茶素化合物類似，黃酮醇糖苷被認為是茶湯澀味的組成成分，具有抗輻射、抗氧化和抑菌消炎等作用[34]，但茶樹黃酮醇糖苷合成調控的分子機理仍然不清楚。Liu等[35]發現遮陰條件下，茶樹鮮葉中黃酮醇、兒茶素類物質含量降低，黃酮類代謝途徑基因（CsCHS、CsF3'5'H、CsDFR、CsFLS及CsUGT等）轉錄水平顯著下降，且與UV-B光信號轉導途徑基因表達高度相關。UV-B光信號通過調控轉錄因子CsHY5-CsMYB12與CsFLS、CsUGT等基因啟動子結合，調控黃酮醇糖苷與非酯型兒茶素類之間代謝流平衡，最終影響茶葉黃酮類物質積累[36]。類似地，Zhao等[37]通過遮陰試驗發現，遮陰可以顯著改變茶樹葉片中黃酮醇糖苷的含量。進一步分析發現，UV-B輻射可以通過CsbZIP1-CsMYB12調控網絡激活黃酮醇糖苷生物合成關鍵基因CsFLS和CsUGT78A14的表達，促進黃酮醇糖苷的生物合成。遮陰處理能夠通過抑制HY5-like CsbZIP1活性，激活光信號蛋白CsPIF3，進而上調黃酮類代謝途徑的轉錄抑制子CsMYB4和CsMYB7基因表達，降低茶樹中黃酮醇糖苷的生物合成[37]。

（2）茶樹茶氨酸的分子調控網絡解析

茶氨酸是賦予綠茶鮮爽滋味和健康功效的主要呈味物質，與綠茶品質呈顯著正相關。近年來，關于茶氨酸生物合成途徑的解析已取得一定進展，許多與茶氨酸生物合成相關的關鍵基因相繼克隆。Wei等[3]從茶樹品種舒茶早中克隆了根部特異表達的茶氨酸合成酶關鍵基因CsTSI。相比茶樹根部組織，茶樹的葉片組織尤其是嫩梢中也發現較高含量的茶氨酸，其含量積累可通過原位合成和根部運輸實現。Fu等[25]發現茶樹細胞質和葉綠體是茶樹嫩梢組織茶氨酸生物合成及分布的主要場所，證實CsGS1.1和CsGS2是茶樹葉片組織茶氨酸生物合成的關鍵酶基因，且其含量和分布受到光照的調控。除原位合成外，茶樹葉片中茶氨酸的積累也可通過根部的長距離運輸。Dong等[38]通過酵母突變體文庫篩選結合功能實驗，分離并克隆了參與茶樹茶氨酸轉運的關鍵基因CsAAP1（Amino acid permease）。該基因在茶樹根中的表達模式與茶氨酸的運輸季節及從根到新梢的運輸效率高度相關，表明CsAAP1在茶樹茶氨酸長距離運輸過程中起到重要作用。Bai等[26， 39]還從茶樹中分離克隆了丙氨酸脫羧酶基因AlaDC（Alanine decarboxylase），該基因在茶樹根中的表達水平顯著高于葉片組織，可以催化丙氨酸脫羧生成乙胺，為茶氨酸的生物合成提供底物。Fu等[40]也從茶樹金萱品種中分離克隆到參與茶氨酸降解的關鍵基因CsPDX2.1（Pyridoxine biosynthesis 2）。進一步基因表達和體外酶活實驗發現，該基因在白化茶樹品種中的表達水平顯著低于綠色茶樹品種，可催化茶氨酸水解為乙胺和谷氨酸，表明CsPDX2.1基因具有體外水解茶氨酸的功能[40]。

與茶氨酸合成和轉運基因分離克隆相比，茶樹茶氨酸生物合成的分子調控機理研究起步較晚。Zhang等[41]利用多組學數據構建了茶樹茶氨酸代謝通路基因與轉錄因子的共表達網絡，鑒定得到14個可能參與茶樹茶氨酸生物合成調控的候選MYB轉錄因子，為今后茶氨酸調控網絡解析奠定了重要的數據基礎。Wen等[42]從茶樹品種白葉1號中克隆得到負調控茶氨酸生物合成的關鍵基因CsMYB73。該基因屬R2R3類型MYB轉錄因子，為核定位蛋白，其在茶樹葉片發育過程中的表達模式與茶氨酸的積累模式呈負相關關系。進一步功能實驗表明，CsMYB73能夠與CsGS1和CsGS2基因的啟動子互作，通過抑制CsGS1和CsGS2的表達，負調控茶樹茶氨酸的生物合成。Zhang等[43]通過對茶樹全長轉錄組進行測序和分析，鑒定得到一個參與茶樹茶氨酸生物合成的正調控轉錄因子CsMYB6，該基因可通過結合茶氨酸合成酶關鍵基因CsTSI的啟動子，激活CsTSI的表達，正調控茶樹茶氨酸的生物合成。

（3）茶樹咖啡堿的分子調控網絡解析

咖啡堿是茶葉的重要功能成分之一，具有興奮和刺激神經的作用。茶樹咖啡堿在體內的生物合成主要是以黃嘌呤核苷為底物，在N-甲基轉移酶類（N-methyltransferases， NMTs）的催化下以S-腺苷-L-甲硫氨酸為甲基供體通過3步甲基化途徑實現。茶樹咖啡堿合成酶（Tea caffeine synthase）基因TCS屬NMTs，是茶樹咖啡堿合成通路的關鍵基因，也是較早克隆和廣泛研究的咖啡堿合成代謝通路基因[44]。該基因編碼369個氨基酸，既可催化7-甲基黃嘌呤轉化為可可堿，也可催化可可堿轉化形成咖啡堿。Jin等[45]發現TCS1基因在茶組植物中具有多個等位變異，其中TCS1的第269位氨基酸殘基對TCS的活性和底物識別中起著重要的作用。對來自中國14個省共計44個茶樹品種的TCS1基因進一步比較分析發現，茶樹TCS1基因的外顯子區包含31個單核苷酸多態性位點（SNP），其中SNP4318的定點突變（His153Tyr）可顯著提高茶樹可可堿合成酶和咖啡堿合成酶的活性，驗證了SNP4318變異與咖啡堿含量的關系[46]。

紅芽茶和可可茶是兩種以含可可堿而非咖啡堿為主的茶樹物種。HYC和CCT分別是紅芽茶和可可茶的咖啡堿合成酶基因[47]。研究發現，HYC和CCT均編碼365個氨基酸，二者僅在第227位（Glu227Lys）和287位（Arg287His）存在2個氨基酸的差異[47]。重組蛋白酶活實驗表明，HYC和CCT均只能催化可可堿的形成而不能以可可堿為底物繼續合成咖啡堿。進一步比對分析發現，HYC和CCT的第221位氨基酸均為組氨酸（H），而栽培茶樹的TCS1則為精氨酸（R），已有研究證明組氨酸在底物識別中扮演著重要的角色[48-49]，表明紅芽茶和可可茶的咖啡堿合成酶基因編碼蛋白第221位精氨酸突變為組氨酸 （Arg221His） 可能導致其N-甲基轉移酶的底物特異性發生變化，只能催化可可堿的形成而不能以可可堿為底物繼續合成咖啡堿，造成可可茶和紅芽茶等茶組植物咖啡堿合成酶終止合成咖啡堿，并使得可可堿在體內富集。類似地，Teng等[50]對來自廣西大瑤山境內的禿房茶的嘌呤生物堿分析發現，禿房茶同時含有可可堿、咖啡堿和苦茶堿3 種嘌呤生物堿，但其中可可堿含量最高。研究進一步分離得到參與禿房茶可可堿生物合成的關鍵基因CgcTS（Theobromine synthase），該基因定位于細胞核，可專一催化7-甲基黃嘌呤轉化為可可堿，其基因表達模式與禿房茶中可可堿的分布規律一致，且在嫩葉中的表達水平顯著高于成熟葉。

4. 解析茶樹次生代謝的生理功能

（1）發現香氣糖苷物質應答茶樹低溫和病蟲害的新功能

糖苷態香氣前體（香氣糖苷）是茶樹重要的次生代謝物，主要由茶樹糖基轉移酶（UDP-glycosyltransferases， UGTs）催化而成。研究表明，茶樹香氣糖苷在茶葉香氣品質形成及茶樹逆境脅迫應答中具有雙重作用。Jing等[51]通過茶尺蠖取食后的茶樹與健康茶樹交流試驗，發現鄰近茶樹接觸到受害茶樹釋放的揮發物質后，會提前啟動自身的防御系統。進一步通過對受害茶樹釋放的揮發物質定量分析，結合外源揮發物質暴露實驗，發現順-3-己烯醇等香氣物質在茶樹個體間信號傳導中發揮著重要作用。Jing等[52]還通過生物化學及遺傳學手段，在茶樹中篩選到可高效轉化順-3-己烯醇的關鍵酶基因UGT85A53，該基因可催化順-3-己烯醇發生糖苷化，參與茶樹的蟲害防御反應。

研究發現，茶樹香氣糖苷物質還可參與茶樹低溫脅迫的防御反應。Zhao等[53]在茶樹中分離克隆了可特異性催化橙花叔醇糖苷化的基因CsUGT91Q2。茶樹體內抑制該基因的表達可顯著降低茶樹橙花叔醇糖苷的積累及抗寒能力。外源施加橙花叔醇，可促進CsUGT91Q2的表達及茶樹橙花叔醇糖苷的積累，并提高茶樹的抗寒能力，表明橙花叔醇糖苷化在茶樹低溫脅迫應答中具有重要作用。進一步通過多種生理指標測定，發現CsUGT91Q2介導的橙花叔醇糖苷化可顯著提高其清除活性氧（ROS）的能力，并通過上調冷脅迫相關轉錄因子CBF1的表達，激活茶樹自身的抗寒機能。

（2）揭示芳香族揮發物吲哚防御茶樹病蟲害的生理功能

茶樹在遭受到植食性昆蟲為害時會釋放特異性的揮發物，引發被害植株或鄰近植株產生防御反應，提高茶樹對植食性害蟲的抗性[54]。Ye等[55]研究了芳香族揮發物吲哚對茶樹防御相關的早期信號、激素積累、次生代謝產物合成和植食性害蟲抗性的影響。研究發現，茶樹在遭受茶尺蠖幼蟲取食后會大量釋放吲哚。用生理濃度的吲哚處理茶苗后可以顯著誘導茶樹中鈣離子信號、絲裂原活化蛋白激酶、茉莉酸合成等早期信號通路，通過提高茉莉酸、茉莉酸異亮氨酸以及防御相關次生代謝物的含量，增強茶樹對茶尺蠖的抗性。進一步利用信號通路抑制劑結合生物學測定和代謝物分析，證實了鈣離子和茉莉酸途徑是吲哚引發茶樹防御警備、提高茶樹抗蟲性的必需條件。

二、目前存在的問題及“十四五”發展方向

“十三五”期間，雖然我國茶樹生物學研究取得了較大的進展，對推動我國茶產業的可持續發展和茶學科的進步起到了重要的支撐作用，但從整體來看，尤其與其他園藝植物和糧食作物相比，茶樹基礎生物學研究尚存在種質資源收集和利用不充分、次生代謝產物合成/調控及其生理功能認識有局限、逆境脅迫響應新機理待探索、茶樹發育生物學研究相對滯后、高效穩定遺傳轉化體系及合成生物學等關鍵生物技術尚未建立等問題，建議“十四五”期間予以關注。

1. 加強茶樹及其野生近緣植物種質資源的收集與保存

種質資源是茶樹遺傳改良的物質基礎，其蘊含的遺傳變異是決定育種效率的關鍵。我國是世界上最早發現并利用茶的國家，擁有豐富的茶樹種質資源。近年來，盡管我國在茶樹種質資源的調查、收集和保存方面做了大量工作，但相較于其他大宗作物，茶樹種質資源的收集仍然存在類型單一、力度薄弱及資源利用不平衡、不充分等問題。目前全國大部分茶樹種質資源圃還傾向于收集和保存大量茶樹育成品種或品系，同質化明顯且遺傳多樣性相對較低，鮮有茶樹地方品種或野生近緣種的收集與保存。然而，與之形成對比的是，近年來野生茶樹的茶葉制品被過度炒作，茶葉市場“野生茶”“古樹茶”需求劇增，導致部分茶樹野生近緣種群被過度采集，生境遭遇破壞。此外，茶樹良種的大面積推廣，也一定程度上壓縮了一些遺傳變異相對豐富的地方良種的生存空間，造成部分地方良種亦處于消失的邊緣。因此，今后在茶樹種質資源的收集工作中，建議重視加大對茶樹地方品種和野生近緣種的收集與保存工作，特別是對一些生境已處于瀕臨破壞的資源重點進行搶救性收集和繁育，為今后茶樹遺傳育種奠定材料基礎。

2. 解析茶樹重要農藝性狀形成的遺傳基礎

以茶樹種質資源收集為依托，進一步突破茶樹育種理論是實現茶樹高效育種的關鍵，其核心是加快重要農藝性狀相關功能基因的發掘，解析茶樹重要農藝性狀形成的遺傳基礎。基于基因型和表型數據進行大規模全基因組關聯分析是目前解決該問題的有效途徑，然而不管是從資源的收集到核心種質的構建，還是從基因型和表型數據的獲取到生物信息數據的分析，還是從功能基因的驗證到品種的育成和推廣，均需凝聚各單位和各學科領域科研人員的力量。只有充分發揮領域和學科優勢，才能力求在“十四五”闡明茶樹重要農藝性狀形成的遺傳基礎，明確茶樹主要性狀的遺傳規律和相關基因的調控機制，這將有助于實現茶樹育種理論的重大突破，為定向培育優質、高產、多抗的茶樹多元化新品種夯實理論基礎。

3. 進一步加強茶樹次生代謝合成、調控及生理功能研究

茶樹富含次生代謝物，是茶葉品質和抗性形成的物質基礎。兒茶素類化合物、茶氨酸、咖啡堿、揮發性萜烯類等香氣物質是茶樹中重要的次生代謝物，不僅賦予了茶葉色、香、味等品質特征，而且對人體健康亦大有裨益。長期以來，茶樹次生代謝物的生物合成與調控，一直是業內關注和研究的重點。近年來，雖然我國在茶樹次生代謝生物合成和調控方面取得長足進展，許多參與茶樹次生代謝合成的基因相繼克隆，相關代謝通路的解析也相對清楚，但其潛在的調控機理及生理功能仍然不清楚。茶樹富含兒茶素、咖啡堿、茶氨酸、揮發性香氣物質等次生代謝物，除參與茶葉品質形成外，其潛在的生理功能仍需探索。今后，茶樹次生代謝的研究應充分整合多維度生物數據，在進一步發掘次生代謝合成相關新基因的基礎上，加大分子調控網絡的解析，并探索次生代謝產物潛在的生理功能，特別是以健康和育種為導向，推進成果的產業化應用。

4. 探究茶樹逆境響應的新機理

我國茶區分布較廣，分布地形復雜，氣候變化多樣，造成茶樹在自然生長過程中常常易受到諸如溫度、病、蟲害等眾多逆境因子的影響。尤其近年來全球異常天氣頻發，茶樹栽培過程中面臨的氣候災害與病蟲害的威脅亦日趨嚴峻。逆境已然成為影響茶樹生長發育、產量及品質的重要因素，急需培育出抗逆優良茶樹品種以滿足茶葉生產上的迫切需求。深入認識茶樹應答逆境脅迫的遺傳機理是通過分子設計育種提高茶樹抗逆性的前提。近年來，對茶樹抗逆生理生化和基因發掘的研究已取得可喜成績，但對其抗逆調控機制的研究尚處起步階段。因此，今后茶樹的抗逆研究仍需進一步加大茶樹抗逆基因的發掘及其調控機制的解析工作，尤其注重相關研究的廣度與深度，探究茶樹抗逆新基因，解析抗逆新機制，為茶樹抗逆育種和產業健康發展夯實理論基礎。

5. 加強茶樹發育生物學研究

發育生物學是研究生物個體發育規律和調控機理的科學。近年來，隨著遺傳學、細胞生物學和分子生物學相關知識和技術的快速積累，植物發育生物學得到了迅猛發展，特別是在植物開花、配子體發育、傳粉受精、胚胎發生、果實發育、根和莖端器官的發育方面取得了許多突破性進展[56]。茶樹是我國重要的經濟作物，然而相比其他模式植物或園藝作物，茶樹的發育生物學研究進展也相對滯后。今后，茶樹發育生物學研究應突出茶樹個體發育和產業應用的特點，加大對茶樹重要組織器官發育規律和調控機理的研究，特別是針對茶樹葉用型的特點，加強茶樹芽葉形成、葉色轉變機理、表皮毛發育、根以及株型建成的研究，為更好理解并結合茶樹發育的特點，實現茶樹栽培和育種突破奠定理論基礎。

6. 加快茶樹遺傳轉化體系的建立

建立高效遺傳轉化體系對于茶樹功能基因組學研究及其產業化應用至關重要。今后，茶樹遺傳轉化體系的建立應借鑒其他作物成功的經驗，整合全國相關單位組織培養和遺傳轉化的優勢力量，在困擾當前茶樹遺傳轉化體系構建的技術瓶頸，例如如何篩選合適的受體（茶樹品種、組織器官、農桿菌菌株等），探索高效的轉化方法（農桿菌介導、基因槍、納米負載等），提高轉化效率，達到縮短茶樹遺傳轉化周期等技術上進行聯合攻關，力爭在短時間內，建立茶樹高效、穩定的遺傳轉化體系，為茶樹功能基因組學研究及其產業化應用提供穩定的遺傳學材料和理論支撐。

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