植物組學(xué)丨多組學(xué)技術(shù)解析茶樹化學(xué)多樣性

植物組學(xué)

強(qiáng)國必先強(qiáng)農(nóng)，農(nóng)強(qiáng)方能國強(qiáng)。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(chǔ)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(qiáng)調(diào)打好種業(yè)翻身仗；2022年中央一號文件提出大力推進(jìn)種源等農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，全面實(shí)施種業(yè)振興行動方案；2023年中央一號文件提出全面實(shí)施生物育種重大項(xiàng)目。以‘生物技術(shù)+信息技術(shù)+人工智能+大數(shù)據(jù)技術(shù)’為基礎(chǔ)的育種‘4.0’時代，有望讓我國種業(yè)實(shí)現(xiàn)彎道超車，解決卡脖子問題，因此，推進(jìn)生物育種技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化迫在眉睫。

除了糧食作物以外，經(jīng)濟(jì)作物也成為育種研究重點(diǎn)目標(biāo)。茶樹作為一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，在全球許多國家都有種植，因其口感、風(fēng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、華中農(nóng)大園藝林學(xué)學(xué)院聞瑋瑋團(tuán)隊領(lǐng)銜，聯(lián)合多個研究團(tuán)隊（包含賽默飛世爾科技），在植物學(xué)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(jié)合代謝組學(xué)、遺傳學(xué)和生物化學(xué)等方法，對茶樹的代謝物的多樣性進(jìn)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(xué)技術(shù)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(jié)合Q Exactive Plus Orbitrap高分辨質(zhì)譜及TSQ Quantis精準(zhǔn)定量，對215份茶樹種質(zhì)資源進(jìn)行了大規(guī)模代謝組學(xué)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(jìn)行了化合物注釋和分類，63個化合物通過與標(biāo)準(zhǔn)品比對得到精準(zhǔn)鑒定。進(jìn)一步構(gòu)建了代謝物同分異構(gòu)體和修飾網(wǎng)絡(luò)。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酰化是數(shù)量最多的一類修飾化，而非羥基化或糖基化。

（點(diǎn)擊查看大圖）

接下來，研究人員對兩種組織（YL和TL）進(jìn)行基于代謝物全基因組關(guān)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(chǔ)。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(jìn)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(xué)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(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)，加深了我們對茶樹化學(xué)多樣性的遺傳學(xué)理解。

Summary 小結(jié)

近年來，隨著基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)、表觀組學(xué)等技術(shù)的飛速發(fā)展，聚焦核心種質(zhì)資源，開展全方位多組學(xué)研究，打破數(shù)據(jù)孤島，將是生物育種領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向。代謝組學(xué)是基因型與表型之間的橋梁，開展代謝物的全基因組關(guān)聯(lián)分析，可批量精確定位控制代謝表型相關(guān)候選基因，研究調(diào)控作物營養(yǎng)和品質(zhì)等相關(guān)機(jī)理，有助于深入挖掘利用優(yōu)良基因和培育新品種，進(jìn)一步促進(jìn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、華中農(nóng)大園藝林學(xué)學(xué)院教授）

問 請您談?wù)劚狙芯康碾y點(diǎn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，對它們的結(jié)構(gòu)鑒定和注釋是一大難點(diǎn)，本研究中Q Exactive Plus高分辨質(zhì)譜及Compound Discovery數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用是代謝物的高通量測定和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)鑒定和注釋的重要保障。TSQ Quantis則發(fā)揮了更加快速和精準(zhǔn)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(chǔ)。

問請您談?wù)劷馕霾铇涞念慄S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(fēng)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(jī)理研究和后續(xù)茶樹品質(zhì)和抗性的遺傳改良奠定基礎(chǔ)。

 專家簡介：

聞瑋瑋 ，博士，教授，博士生導(dǎo)師。近幾年來以重要園藝作物茶樹等為研究對象進(jìn)行基因組與代謝組學(xué)研究，完成首個古茶樹基因組組裝并揭示中國茶樹選育進(jìn)程，首次完成基于單細(xì)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(xiàng)目10余項(xiàng)，擔(dān)任Journal of Experimental Botany，Beverage Plant Research等國際期刊的編委。

參考文獻(xiàn)

[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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