植物組學丨多組學技術解析茶樹化學多樣性

植物組學

強國必先強農(nóng)，農(nóng)強方能國強。種業(yè)處于農(nóng)業(yè)整個產(chǎn)業(yè)鏈源頭，是國家戰(zhàn)略性、基礎性核心產(chǎn)業(yè)。我國高度重視種業(yè)問題，繼2021年中央一號文件強調(diào)打好種業(yè)翻身仗；2022年中央一號文件提出大力推進種源等農(nóng)業(yè)關鍵核心技術攻關，全面實施種業(yè)振興行動方案；2023年中央一號文件提出全面實施生物育種重大項目。以‘生物技術+信息技術+人工智能+大數(shù)據(jù)技術’為基礎的育種‘4.0’時代，有望讓我國種業(yè)實現(xiàn)彎道超車，解決卡脖子問題，因此，推進生物育種技術及產(chǎn)業(yè)化迫在眉睫。

除了糧食作物以外，經(jīng)濟作物也成為育種研究重點目標。茶樹作為一種重要的經(jīng)濟作物，在全球許多國家都有種植，因其口感、風味和對健康有益，加之地域文化屬性，使其成為一種非常受歡迎的飲料。

近日，由果蔬園藝作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用全國重點實驗室、華中農(nóng)大園藝林學學院聞瑋瑋團隊領銜，聯(lián)合多個研究團隊（包含賽默飛世爾科技），在植物學知名雜志Plant Biotechnology Journal發(fā)表了題為“Depicting the genetic and metabolic panorama of chemical diversity in the tea plant"的論文。文章結合代謝組學、遺傳學和生物化學等方法，對茶樹的代謝物的多樣性進行了全面研究，為茶樹品質(zhì)的遺傳改良、種質(zhì)資源挖掘提供了豐富的資源和科學技術支撐。Q Exactive Plus Orbitrap高分辨質(zhì)譜平臺聯(lián)合TSQ Quantis三重四極桿液質(zhì)聯(lián)用儀為該研究提供了高質(zhì)量精度及卓越穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)，用以代謝組和基因組數(shù)據(jù)聯(lián)合分析。

首先，研究人員結合Q Exactive Plus Orbitrap高分辨質(zhì)譜及TSQ Quantis精準定量，對215份茶樹種質(zhì)資源進行了大規(guī)模代謝組學研究，針對兩個不同的組織樣本（YL和TL）檢測出2837個代謝物，其中1098個進行了化合物注釋和分類，63個化合物通過與標準品比對得到精準鑒定。進一步構建了代謝物同分異構體和修飾網(wǎng)絡。羥基化、糖基化通常是植物代謝的最顯著的修飾，有趣的是在茶葉代謝組中沒食子?；菙?shù)量最多的一類修飾化，而非羥基化或糖基化。

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接下來，研究人員對兩種組織（YL和TL）進行基于代謝物全基因組關聯(lián)分析 （mGWAS），鑒定了全基因組mQTL，以揭示茶樹代謝物多樣性的遺傳基礎。類黃酮化合物作為茶樹最具特征的代謝物之一，文章最后進一步研究了類黃酮類化合物合成通路。通過兩個已鑒定的mQTL（包括功能候選基因CsUGTa、CsUGTb和CsCCoAOMT），拓展了茶樹黃酮類化合物的生物合成途徑。

Q Exactive Plus Orbitrap高分辨質(zhì)譜儀

TSQ Quantis 三重四極桿液質(zhì)聯(lián)用儀

該研究為茶葉化學多樣性研究提供了最豐富的資源，為茶樹的遺傳改良、種質(zhì)資源挖掘，奠定了堅實的科學基礎，加深了我們對茶樹化學多樣性的遺傳學理解。

Summary 小結

近年來，隨著基因組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白組學、代謝組學、表觀組學等技術的飛速發(fā)展，聚焦核心種質(zhì)資源，開展全方位多組學研究，打破數(shù)據(jù)孤島，將是生物育種領域的重點發(fā)展方向。代謝組學是基因型與表型之間的橋梁，開展代謝物的全基因組關聯(lián)分析，可批量精確定位控制代謝表型相關候選基因，研究調(diào)控作物營養(yǎng)和品質(zhì)等相關機理，有助于深入挖掘利用優(yōu)良基因和培育新品種，進一步促進中國育種產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)快速發(fā)展。

專家訪談

聞瑋瑋（果蔬園藝作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用全國重點實驗室、華中農(nóng)大園藝林學學院教授）

問 請您談談本研究的難點在哪里？

答 茶樹富含類黃酮、生物堿、萜類等次生代謝物，這些代謝物種類多，結構復雜，對它們的結構鑒定和注釋是一大難點，本研究中Q Exactive Plus高分辨質(zhì)譜及Compound Discovery數(shù)據(jù)庫的應用是代謝物的高通量測定和結構解析的有利工具。

問Q Exactive Plus高分辨質(zhì)譜儀及TSQ Quantis在該研究中發(fā)揮了怎樣的作用？

答在本研究中Q Exactive Plus高分辨質(zhì)譜儀是代謝物的結構鑒定和注釋的重要保障。TSQ Quantis則發(fā)揮了更加快速和精準的定量優(yōu)勢，提高了研究效率，為后續(xù)的遺傳和生化分析奠定了良好的基礎。

問請您談談解析茶樹的類黃酮生物合成途徑對茶樹種質(zhì)資源研究有哪些幫助？

答類黃酮是茶樹富含的一類次生代謝物，在茶樹的風味品質(zhì)調(diào)控、抵御逆境過程中發(fā)揮著重要的功能。茶樹的類黃酮生物合成途徑的解析可為茶葉品質(zhì)形成和抗性等機理研究和后續(xù)茶樹品質(zhì)和抗性的遺傳改良奠定基礎。

 專家簡介：

聞瑋瑋 ，博士，教授，博士生導師。近幾年來以重要園藝作物茶樹等為研究對象進行基因組與代謝組學研究，完成首個古茶樹基因組組裝并揭示中國茶樹選育進程，首次完成基于單細胞測序的茶樹基因組分型，解析茶樹中氨基酸、類黃酮和生物堿等合成通路。近年來發(fā)表SCI論文40余篇，主持各類科研項目10余項，擔任Journal of Experimental Botany，Beverage Plant Research等國際期刊的編委。

參考文獻

[1] HJ Qiu, XL Zhang, YJ Zhang , et al. Depicting the genetic and metabolic panorama of chemical diversity in the tea plant [J]. Plant Biotechnology, 2023.

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