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辰山植物园陈可组在山茶属进化机制研究上取得新进展

 

山茶属(Camellia)属于山茶科(Theaceae),以花朵美丽的观赏种(Camellia japonica., et al)以及产茶叶的茶树(Camellia sinensis., et al)著称。山茶具有非常重要的经济和文化意义,有趣的是,山茶同时也是一种天然转基因植物(植物基因组上含有细菌来源的T-DNA序列)。近些年,山茶属的物种数量从120种增长到了280种,但是山茶属的系统进化关系尚不完全清楚。

2022年12月6日,国际植物学期刊《Frontiers in Plant Science》(IF=6.627,2区)在线发表了上海辰山植物园上海市资源植物功能基因组学重点实验室茄科进化与代谢组题为“Conservation of an Agrobacterium cT-DNA insert in Camellia section Thea reveals the ancient origin of tea plants from a genetically modified ancestor”的研究论文。文章通过对山茶属茶树舒茶早(C. sinensis var. sinensis cv. Shuchazao)的基因组比对分析,发现了一个来自于农杆菌T-DNA的片段,长5.5 kb,并将其命名为CaTA(图1)。研究揭示了CaTA上含有三个不完整T-DNA基因和约1kb的反向重复序列。通过对茶分支Thea的142份基因组和转录组序列分析,发现所有茶分支Thea品种均含有CaTA序列,揭示了茶这一分支来自于同一次天然转染事件。

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图1. 山茶属CaTA结构示意图。(A)CaTA结构示意图,除C.fangchengensis之外。(B)推测的首次在C. fangchengensis中CaTA发生的事件-中间片段反转。(C)推测的第二次在C. fangchengensis中CaTA发生的事件-两次片段删除(del1和del2)。绿色:植物DNA片段。橙色和红色:CaTA中反向重复序列。acs, susL, rolB为CaTA上的基因。

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图2. CaTA插入位点示意图。上图:不含有CaTA的油茶(C.oleifera CON1)序列示意图。其两端被反向重复序列TGCAACTAAG包围,箭头所示为原始编辑目标,正向重复序列GTCCAGCT。下图:含有CaTA的茶(C. sinensis G240)序列示意图。*:推测的 C. sinensis G240中CaTA插入及连接到植物片段(绿色)位点。

舒茶早(C. sinensis var. sinensis cv. Shuchazao),俗称毛蟹,是山茶科山茶属的一个常见品种,也是我们常喝的一个绿茶品种。研究发现,舒茶早(accession SDRB01002054.1, gene coordinates 1834755-1838742)含有一个5.5 kb的T-DNA片段(CaTA)(图1)。研究人员用不含CaTA的油茶植株CON1(JAKJMZ)的基因组为比对模板,确定了原始的、未经修改的CaTA插入位点(图2)。

文章以C. sinensis var. sinensis G240的CaTA序列为参照,分析了142份来自于茶属(Thea)9个山茶品种的CaTA序列的分布情况,并鉴定了225个等位基因,据此绘制了CaTA的等位基因结构示意图(图3A)。

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图3. (A)山茶属9个品种225个CaTA等位基因的高度变异区中的2种示意图,位于438-449和2767-2781位点。(B)由225个CaTA等位基因差异推导的茶分支Thea的系统发育树。

通过对225个CaTA等位基因中核苷酸遗传变异进行分析,共发现了六处不同的植物插入位点以及两个高度变异的区域(图3A)。将基因分型后的CaTA序列构建系统发育树,可以直观看到发育树的分组与遗传变异型的分析吻合(图3B)。

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图4. 山茶属225个CaTA等位基因在系统进化树上的分布,并分为两组(A)和(B)。

山茶属225个CaTA等位基因对在系统进化树上的分布示意图(图4)。图4A揭示了栽培品种茶C. sinensis var. sinensis和C. sinensis var. assamica的CaTA等位基因概况,图4B揭示了其他Thea品种CaTA等位基因分布情况。有趣的是,这些等位基因的分布表明,茶分支Thea具有两组不同的等位基因,使其自然分成了两个亚组,并且这两个亚组是各自独立分化出来的。

茄科进化与代谢课题组长陈可和俄罗斯圣彼得堡大学Peter Zhurbenko博士为本文共同第一作者,法国国家科学院植物分子研究所,斯特拉斯堡大学Léon Otten教授为本文通讯作者。项目得到上海市绿化与市容管理局辰山专项、中国科学院青年英才培育计划,上海市科委和俄罗斯科学基金会等项目的资助。

原文链接:

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2022.997762/full