山茶属（Camellia）是山茶科中包含物种数最多，也最具经济价值的一个属。该属植物包含许多代表性物种，例如茶树（C. sinensis）、茶花（C. japonica）和普通油茶（C. oleifera）等，它们在茶叶和油脂生产及观赏花卉上有着极其重要的应用。山茶属植物野生资源丰富，其蕴含丰富多样的茶叶品质形成密切相关的特征性次生代谢物和优异基因资源是培育优质、高抗、多元化茶树新品种的重要物质基础。然而，该属植物频繁的杂交与多倍化，加之缺乏适用于进化分析的基因片段，致使其系统发育关系及特征性次生代谢产物的演化规律尚未获得清晰的认识，一定程度上制约了该属植物的高效开发与利用。“Comparative transcriptomic analysis unveils the deep phylogeny and secondary metabolite evolution of 116 Camellia plants”研究论文，系统揭示了山茶属植物系统发育关系及其特征性次生代谢物的演化规律。
1. 比较转录组分析揭示了山茶属的系统发育和起源
文章通过对116个个体的山茶属植物叶片进行转录组测序，使用trinity组装，多个数据库（Swissprot、PFAM、KEGG、GO、COG、TAIR10）对组装后的转录本进行注释，结果显示89.65%的转录本可以被注释上。文章构建了一个包含89,394个基因家族的山茶属泛转录组，并鉴定出405个低拷贝直系同源基因（OGs）用于解析山茶属的系统发育，采用RAxML（图2a）和MrBayes（图2b）方法都得到完全一致的拓扑结构——山茶属可以分为7个主要类群（图2）。其中大部分的类群比如茶组（section Thea）、糙果茶组（section Furfuracea）的单系性都能得到了很好的支持（100%支持率），金花茶组（section Chrysantha）位于山茶属的基部，表明金花茶组是山茶属中最古老的一支。大多数推断的关系都得到了多个核基因树和形态特征的良好支持。此外，系统分析也支持了《中国植物志》中对山茶属物种如广东秃茶（C. kwangtungensis）、丹寨秃茶（C. danzaiensis）等物种的修订，表明本研究构建了一个比较准确、稳健的山茶属系统发育树。
图1. 基于最大似然法和贝叶斯法构建的山茶属植物系统发育关系
文章进一步对山茶属植物分化时间估算，发现山茶花属植物起源于14.3百万年前，茶组植物可能起源于6.67百万年前，有趣的是，目前栽培茶树（C. sinensis）两个品种的分化时间大约在0.82-2.16个百万年，与前人用小部分共线性基因估算的0.38-1.54百万年相近，但是却比用全基因组的核基因估算的4.39百万年要晚。同时文章也发现，山茶组（section Camellia）和油茶组（section Oleifera）在5.88百万年分化，他们共同的祖先与糙果茶组（section Furfuracea）在6.58百万年分化（图2）。
2. 山茶属植物近期全基因组复制对与山茶植物品质相关基因进化的影响
基于前人的研究，栽培茶树（C. sinensis）在近期经历了全基因组复制（WGD）事件，但是这次WGD事件是否也发生在其他山茶属植物中，以及WGD事件如何影响山茶属植物的相关品质性状尚不清楚。为了研究山茶属的WGDs进化历史，文章从系统树中选取了7个代表山茶属物种及外类群大头茶属（Polyspora）物种，通过分析它们的旁系同源基因，发现这7个山茶属植物与外类群大头茶属植物都经历了与栽培茶树相同的WGD事件（图3b），且这次WGD事件发生在28百万年前，比山茶属与大头茶属分化的时间（14.3百万年）还早。进一步分析，这次WGD事件并不是山茶属植物特有的，而是与杜鹃花目共享。为了进一步解析WGD事件对山茶属植物品质相关基因进化的影响，文章对山茶属3个代表性植物饮品茶（C. sinensis）、观赏花卉滇山茶（C. reticulata）和油料植物油茶（C. oleifera）WGD衍生的重复基因进行功能注释，结果显著富集在与脂肪酸代谢、UDP-糖基转移酶活性、脂类合成、芳香族化合物生物合成和色素等代谢途径中，表明最近的WGD事件对山茶属植物的农艺性状和表型特征的形成具有重要作用。
图2. 山茶属主要演化分支分化时间及全基因组重复时间估算
揭示茶组植物与茶品质相关次生代谢产物积累机制
山茶属植物具有丰富的次生代谢产物，其中儿茶素、茶氨酸和咖啡因是栽培茶树中最重要且最丰富的三种次生代谢物，不仅赋予茶色、香、味等品质特性，而且对人体健康有益。文章通过对山茶属植物系统发育的深入研究（图4a），进一步探讨了山茶属植物次生代谢产物的起源、进化和适应机制。
研究发现，与茶品质相关的次生代谢产物，尤其是儿茶素和咖啡因的含量在整个山茶属中差异很大，且在茶组中积累量最高；而茶组植物中特有的茶氨酸在基部类群中的含量明显低于新分化的类群（图4b）。此外，文章还发现，秃茶组（section Glaberrima）中儿茶素、茶氨酸和咖啡因的含量与茶组分布相似，瘤果茶组（section Tuberculata）与半宿萼茶组（section Pseudocamellia）在次生代谢产物的含量与分布模式也相同，进一步验证了本研究在系统分析中将秃茶组与茶组、瘤果茶组与半宿萼茶组合并的处理（图2）。因此，文章认为山茶属植物次生代谢产物的进化模式也进一步为山茶属植物复杂的系统发育提供了证据。
为了进一步解析山茶属植物次生代谢产物进化的动态分子机制，文章研究了与儿茶素、茶氨酸和咖啡因生物合成相关的22个关键基因的表达模式和其次生代谢产物积累模式的相关性。结果表明，在茶组植物中，大部分与茶品质相关的基因都高效表达，与其次生代谢产物的积累模式一致（图4c）。此外，文章还研究了在山茶属植物的叶片中与花发育、花色素沉淀、油合成相关基因的表达模式，发现只有少数与油生物合成（28.5%）和花色素沉淀相关的基因（40%）高效表达，而大部分与花发育相关的基因表达量都较低。这也表明了，在山茶属植物的不同类群中，叶片之间没有显著的差异表达模式。
总之，为了探究山茶属植物特征性次生代谢物的演化规律，研究对116种山茶属植物的儿茶素类化合物、茶氨酸和咖啡碱含量进行了测定。研究发现，山茶属植物特征性次生代谢物含量丰富、类型多样。相比非茶组植物，茶组植物倾向于积累高含量的儿茶素类化合物、咖啡碱和茶氨酸等与茶叶品质形成密切相关的特征性次生代谢物。进一步对次生代谢通路关键基因的表达模式进行分析发现，UGT84A、F3'5'H、SCPL1A、GDH、TCS、IMPDA等关键基因在茶组植物中显著高表达，且与次生代谢产物的积累模式显著正相关（图4）。
图4. 山茶属植物特征性次生代谢物的分布样式及演化规律
已有研究表明基因家族的扩张、收缩有助于新陈代谢和调控网络的动态演化。研究发现，与茶组植物抗逆性和次级代谢合成相关的转录因子家族（MYB、bHLH、WRKY、bZIP、 MADS、AP2/ERF、GARP、NBARC、RLK-LRR）发生了显著扩张（图5），且茶组植物中含有更多与儿茶素、茶氨酸和咖啡因生物合成相关结构基因的拷贝。本研究将与茶品质相关的核心结构基因在基因组中进行定位，发现这些基因在栽培茶树与野生茶树中没有明显地聚集成基因集。这表明，与茶品质相关的核心结构基因随机分布在茶树基因组的染色体上。
图3. 山茶属植物显著扩张与收缩的转录因子家族
相关研究以“Comparative transcriptomic analysis unveils the deep phylogeny and secondary metabolite evolution of 116 Camellia plants”为题发表在国际植物学权威学术期刊《The Plant Journal》（中科院一区，2022年影响因子6.417）。
总结
该研究组装了具有较高序列连续性和准确性的，几乎涵盖了整个山茶属所有组植物的转录组，构建了山茶属植物的泛转录组，并从转录组学的角度对山茶属植物的系统发育、基因组进化和次生代谢产物多样性进行了研究。首次清晰地解析了山茶属植物复杂的系统发育关系及起源；揭示了28百万年前的WGD事件导致大量与茶树抗逆性和次生代谢合成的转录因子家族发生了显著扩张；在系统发育的框架下解析了与茶品质相关的三种主要次生代谢产物的动态进化和表达模式。该研究不仅有助于山茶属植物的比较转录组和功能基因组研究，也为茶、茶花和油茶功能基因组学的研究以及种质资源的高效保护和开发利用提供了新的思路。
作者还发布了一个可访问的数据库，用于高效检索山茶科转录组。报道的转录组序列和获得的新发现将有助于有效保护和利用山茶种质，用于栽培茶、山茶花和油茶植物的育种计划。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/tpj.15799
参考：
https://mp.weixin.qq.com/s/WcrgSZfYH8LPuTNlDyaJVQ
http://www.kepuah.cn/show.htm?method=show_original&id=476
https://mp.weixin.qq.com/s?search_click_id=306893984334824243-1679476277680-5650845926&__biz=MzI1MjcwMDE4NQ==&mid=2247487243&idx=1&sn=ea55aadd870cdb8d1a3f051c08829961&chksm=e9defc7ddea9756bba9ef9ba6490901f4640d4e7fb229b058526fbe8c3784ddab99f916475cf&scene=7&key=23fd820234a1d444a309023e185f18f08c96f6aa3884a1f13cd5c3bd4c2dbab71621e0237e02dc0421361667f59657beda30cafec5c53e69dcc3534ea27d8c59b7383b1e762073cd812693972c8b80fe079e8b715712338dc2940bc96593862c99b98f1f6a165f2a7411d944b08d2642170ba6e5b97351dcb8c440978f2705a6&ascene=0&uin=MjM0NjQ0NDcyNg%3D%3D&devicetype=Windows+11+x64&version=6309001c&lang=zh_CN&countrycode=CN&exportkey=n_ChQIAhIQtBXt2B1mI44ybQRIVcf4QRLgAQIE97dBBAEAAAAAAFhEB1u5qxgAAAAOpnltbLcz9gKNyK89dVj0iocoomXkEkWsy3qtEE3FQ4PCJ8dWp99akAV8VHc0T%2FUUPXu88Sy1rXRNodpJNkjS%2BCj6nEduedpKgMpRBve6BsM%2FegFQ3zXF6fDCHVSZaWWUp85dbgo%2Bv9wHzkqmsDhfot4mvvseSv0KLk2s5Li7UC8YxZTNF%2BlZ5BGZVQhqv9uroLD2HWrsf7mkE%2BjdWIqmVoASOTtfKJAa2nwQglAVxmJ7exC0iCv7H8HNsVoPLvBzRrzCAm%2BOt1%2Fz&acctmode=0&pass_ticket=01EbWb1G8w3Rrl1OrzJWkcU4nJ%2BEIFF21gaPEHfT0ZuMWeLESWhwlpw3ZbdZSpT4GjXx4OEVv5zAVbXw%2F8QkrQ%3D%3D&wx_header=1&fontgear=2
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